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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Überprüfen eines Verstärkers zur Feststellung durch Intermodulationsprodukte
verursachten Verzerrungscharakteristiken.
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Wenn ein Sender ein Signal senden soll, das Komponenten von
verschiedenen bestimmten Frequenzen enthält, geben Nicht-Linearitäten
Endleistungsverstärkern Anlaß zu Intermodulationsprodukten (IMPs) am
Ausgang des Verstärkers bei anderen Frequenzen als denjenigen, die in
dem Eingangssignal vorhanden sind. Die IMPs verzerren daher den Ausgang
und bewirken somit Interferenz in benachbarten Kanälen. Dieser Effekt
führt zu einem signifikanten technischen Problem, wo die Frequenz des
Eingangssignals zur Endleistungsverstärkerstufe Information
repräsentiert, beispielsweise wenn das Eingangssignal der Ausgang eines
parallelen Tonmodems ist, oder wo der Sender dazu verwendet wird, verschiedene
unterschiedliche Signale auf der gleichen Trägerfrequenz wie in einem
unabhängigen Seitenbandmodusbetrieb zu senden. Für diese Zwecke
erfordert eine typische Spezifikation, daß irgendwelche IMPs um wenigstens
-35dB relativ zu den gewünschten Signalen reduziert werden sollten.
Obwohl es möglich ist, dies mit Verstärkers zu erreichen, die Röhren
verwenden, war es bisher schwierig und unpraktisch, IMPs zu erzeugen, die
um mehr als -30dB reduziert sind, wenn Festkörper-Liniarverstärker der
Klasse B, die bei Radiofrequenzen arbeiten, verwendet werden.
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Typischerweise wurden Versuche unternommen, um die Verzerrung
in derartigen Verstärkern durch Verwendung von Techniken mit
invertierter Rückkopplung und einer Anzahl von Verstärkerstufen zum Kompensieren
der Reduktion im Verstärkungsfaktor, erzeugt durch die negative
Rückkopplung, zu reduzieren. Verbesserungen können auch durch sorgfältiges
Auswählen der Vorspannungsbedingungen der verwendeten Transistoren
erhalten werden. Solche Auslegungsbetrachtungen sind in der Literatur
hinreichend diskutiert. Es wurde jedoch gefunden, daß derartige Techniken
ineffektiv sind, um die geforderten hohen Spezifikationen zu erreichen.
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Comsat Technical Review, Band 15, Nr. 2 (1985), Teil A, S.
272-308, offenbart eine andere Lösung, bei der ein linearer
Leistungsverstärker mit einer Vielzahl von individuell auswählbaren
Vorverzerrungskreisen verwendet wird.
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EP-A-0097,845 offenbart ein Gerät zum Bestimmen der
Dämpfungsverzerrung und der Gruppenverzögerungsverzerrung eines unter Prüfung
stehenden Geräts, insbesondere eines Datenübertragungsgeräts.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Problem des
Korrigierens des Effektes von IMPs, wenn ein Verstärker fähig sein kann,
bei irgendeiner Frequenz innerhalb eines weiten Frequenzbereichs zu
arbeiten. Damit dies möglich sein kann, ist es notwendig, in der Lage zu
sein, die Verzerrung über den gesamten Frequenzbereich des Verstärkers
genau zu messen. Eine neue Technik zum Ausführen dieser Messung wird
hierin beschrieben.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ein Verfahren zum
Überprüfen eines Verstärkers zur Feststellung von durch
Intermodulationsprodukte verursachten Verzerrungscharakteristiken vorgeschlagen,
umfaßend die Stufen des Erzeugens von zwei Signaltönen, die gleichzeitig
dem zu überprüfenden Verstärker zugeführt werden, Mischen des Ausgangs
des Verstärkers mit einer lokalen Oszillatorfrequenz, des periodischen
Abtastens der Spannung am Ausgang des Mischers und des Durchführens
einer Fourier Transformation der Abtastungen, um eine Amplituden und
Phaseninformation für eine Vielzahl von Abtastfrequenzen im
Verstärkerausgang zu erhalten, des Identifizierens von verzerrenden IMPs und
Bestimmens der Phasen- und Amplitudenverzerrung, die hierdurch relativ zur
Amplitude der Vektorsumme der beiden Töne erzeugt wird, und des
Wiederholens der vorhergehenden Schritte für Paare von Tönen über den
Frequenzbereich des Verstärkers. Durch Verwendung einer derartigen Überprüfung
ist es möglich, die Intermodulationsprodukte aufgrund von nichtlineraler
Verstärkung und Aufzeichungsänderungen in Phase und Amplitude mit der
Signalamplitude, die in der Verzerrung des Eingangssignals über dem
Frequenzbereich resultiert, zu identifizieren. Die geeigneten Typen von
Vorverzerrungskreisen, die zum Versetzen dieser Effekte geeignet sind,
können dann zum Einbau in den Sender ausgewählt werden, so daß
unabhängig von der Radiofrequenz des zu sendenden Signals der Eingang des
Verstärkers
durch einen geeigneten Vorverzerrungskreis gesteuert werden
kann, um die Intermodulationsprodukte zu minimieren. Typischerweise
wurde gefunden, daß eine Schalteinheit von drei Vorverzerrungskreisen den
gesamten HF-Bereich (beispielsweise 1,6 bis 30 MHz) abdeckt und
sicherstellt, daß IMPs aller Ordnungen um wenigstens -40dB reduziert werden.
Jedoch wird es bevorzugt, die Überprüfung für mehr als drei Frequenzen
aus dem Bereich des Verstärkers zu wiederholen.
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Ein Verfahren zum Messen der Verzerrung des
Leistungsverstärkers in Übereinstimmung mit der Erfindung wird nun nur beispielhaft
unter Bezugnahme auf die beigefügten diagrammartigen Zeichnungen
dargestellt, in denen
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Fig. 1 ein Blockdiagramm eines HF-Senders ist;
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Fig. 2 ein Vorverzerrungskreis zum Kompensieren eines ersten
Verzerrungstyps ist;
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Fig. 3 ein Vorverzerrungskreis zum Kompensieren eines zweiten
Verzerrungstyps ist;
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Fig. 4 ein Versuchsaufbau zur Verwendung bei der Auslegung des
Senders von Fig. 1 ist;
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Fig. 5 ein Vektordiagramm zum Illustrieren des Eingangssignals
zu einem Verstärker ist, der mit dem Gerät von Fig. 4 zu überprüfen ist;
und
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Fig. 6a bis 6d links Amplituden/Zeitdiagramme von
verschiedenen verzerrten Ausgangssignalen von einem Verstärker, der mit zwei
Tönen, wie in dem Gerät von Fig. 4 gespeist wird, und rechts
korrespondierende Diagramme der Amplituden oder Phasenverzerrung relativ zu den
beiden Tonamplituden zeigen.
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Ein HF-Radiosender, wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt im
wesentlichen konventionelle Mischstufen 2 zum Konvertieren eines
Eingangssignals, etwa eines Stimmensignals oder den Ausgang eines parallelen
Tonmodems, in ein RF-Signal am Ausgang 4. Das RF-Ausgangssignal wird auf
einen Kreis einer Gruppe von drei Vorverzerrungskreisen 8, 10, 12 über
einen Wählschalter 14 gegeben, dessen Position durch eine
Auswahlsteuereinheit 16 gesteuert wird. Die Ausgänge aller drei Vorverzerrungskreise
sind mit einem Eingang eines Leistungsverstärkers 20 verbunden. Der
Ausgang
des Leistungsverstärkers ist mit einer Sendeantenne 22 verbunden.
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Die Auswahlsteuereinheit ist dargestellt als über eine
Steuerleitung 18 mit den Mischstufen verbunden, um anzuzeigen, daß das Setzen
des Wählschalters 14 durch die RF-Frequenz des Ausgangssignals, wie
durch den Benutzer bestimmt, bestimmt wird. Die gewünschte RF-Frequenz
des Ausgangs wird natürlich verwendet, um die lokalen
Oszillatorfrequenzen zu bestimmen, die während der Mischstufen 2 verwendet werden. Die
durch den Benutzer verwendeten Eingangsmittel, um die RF-Frequenz zu
setzen, und daher die lokalen Oszillatorfrequenzen in den Mischstufen
können auch verbunden werden, um den Wählschalter zu steuern. Jeder
Vorverzerrungskreis ist in der Lage, eine erforderliche Mischung von
Amplituden- und Phasenverzerrung bestimmt durch die vorher gemessene
Verzerrung, die in jedem Frequenzbereich durch den Leistungsverstärker 20 für
einen bestimmten Abschnitt des Frequenzbereichs des Verstärkers 20
erzeugt wird, zu erzeugen.
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Wegen der Anwesenheit der Vorverzerrungskreise ist der Ausgang
des Leistungsverstärkers eine verstärkte, jedoch in anderer Weise im
wesentlichen identische Version des RF-Signals, das am Ausgang 4 der
Mischstufen 2 erscheint. Um die geeignete Auslegung der
Vorverzerrungskreise 8, 10 und 12 sowie die Anzahl derartiger, erforderlicher
Vorverzerrungskreise zu bestimmen, ist es notwendig, die durch den Verstärker
20 erzeugten Verzerrungstypen genau über seinen Arbeitsfrequenzbereich
zu messen. Dies kann durch Verwendung des in Fig. 4 dargestellten Geräts
geschehen, das nun beschrieben wird. Fig. 2 und 3 zeigen geeignete
Ausführungen für Vorverzerrungskreise 8, 10 oder 12. Die Größe und Art
(Widerstand, Induktivität, Kapazität oder Kombination hiervon) der
verwendeten Impedanzen Z wird durch die zu korrigierende Verzerrung bestimmt,
wie in größerem Detail nachstehend beschrieben wird.
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Der Verstärker 20 ist typischerweise ein Linearverstärker der
Klasse B, der unter Verwendung von Festkörperkomponenten ausgelegt ist.
Für Testzwecke wird das Eingangssignal aus zwei RF-Tönen bei leicht
unterschiedlichen Frequenzen gewählt, die beispielsweise durch 2kHz
getrennt sind, um so Intermodulationsprodukte zu erzeugen, die das
besondere Anliegen der vorliegenden Erfindung sind. Es sei angenommen, daß
der Verstärker auch anderen Verzerrungsarten wie einer Verzerrung
aufgrund von Oberwellen unterliegt. Die Vorverzerrungskreise können in der
Lage sein, solche alternativen Verzerrungsarten bis zu einem gewissen
Ausmaß gleichzeitg mit der Kompensation der IMPs zu kompensieren.
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Ein Zweitoneingang zum Verstärker 20 wird durch zwei
Signalgeneratoren 22, 24 vorgesehen, die bei zwei bestimmten Frequenzen
arbeiten, die durch beispielsweise 2kHz im HF-Bereich getrennt sind. Der
Ausgang des Verstärkers wird über einen Mischer 26 zu einem Prüfvoltmeter
28 gegeben. Der Mischer 26 ist mit seinem zweiten Eingang an einen
Signalgenerator 30 angeschlossen, der auf eine geeingete Frequenz
eingestellt ist, um einen Ausgang zu erzeugen, in dem die beiden
Eingangstöne, die durch die Signalgeneratoren 22 und 24 erzeugt werden, zu 20kHz
bzw. 22kHz abgemischt werden. Es sei darauf verwiesen, daß diese Zahlen
nur beispielhaft gegeben sind und andere Untersuchungsbedingungen ohne
weiteres in Abhängigkeit von der anvisierten Verwendung des HF-Senders
ausgewählt werden können.
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Die Frequenzstandards der Generatoren 22, 24 und 30 werden,
wie durch die gestrichelte Steuerleitung 32 dargestellt ist, miteinander
verbunden.
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Das Prüfvoltmeter erzeugt digitale Abtastungen des
abgemischten Ausgangs des Verstärkers 20. Die Abtastungen werden auf einen
Rechner 34 gegeben, der programmiert ist, um eine Fourier Transformation des
Ausgangssignals unter Verwendung eines FFT-Algorithmus durchzuführen und
ferner die Ergebnisse des FFT weiter zu verarbeiten, um Aufzeichungen
des Spektrums des Ausgangssignals, der Amplitudenverzerrung und der
Phasenverzerrung auf Bildschirmen oder Druckern, wie durch die Blöcke 36,
38, 40 dargestellt, zu erhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß diese
Funktionen ohne weiteres durch geeignete Programme ausgeführt werden
können, die nicht im einzelnen hier außer in bezug auf die Funktionen,
die sie durchführen und die ausführlicher unten ausgeführt werden,
beschrieben werden müssen.
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Da das Prüfvoltmeter 28 in seiner Abtastrate beschränkt sein
kann, kann es notwendig sein, in Zeitintervallen zu prüfen, so daß jede
aufeinanderfolgende Abtastung der Wellenform aktuell von einem folgenden
Zyklus des Signals anstatt vom gleichen Zyklus genommen wird. Dies
erzeugt die gleichen Resultate, da die individuellen Zyklen, obwohl sie
der Verzerrung unterliegen, identisch sind. Wenn daher das FFT zur
Verwendung von 512 (2N) Abtastungen über eine Priode (T) von 2 ms ausgelegt
ist, sollten Abtastungen jede 0,0039 ms genommen werden. Jedoch
vorausgesetzt, daß alle signifikanten Frequenzkomponenten Vielfache von
1 kHz sind, können Abtastungen jede 1,0039 ms statt dessen genommen
werden. Dies wird es dem Signalausgang vom Mischer 26 ermöglichen, über
einen Frequenzbereich von 128 kHz analysiert zu werden. Dies ist
tatsächlich ein größerer Bereich, als er als unbedingt notwendig betrachtet
werden kann, tritt jedoch aufgrund des Erfordernisses des
FFT-Algorithmus auf, eine Anzahl von Abtastungen zu haben, die eine Potenz von 2
ist. Für die Zwecke der Verzerrungsanalyse der vorliegenden Erfindung
aufgrund von IMPs bis zur siebenten Ordnung ist allgemein das notwendig,
da IMPs höherer Ordnung Verzerrungen erzeugen, die bereits von einem
genügend niedrigen Pegel sind und keine weitere Kompensation erfordern.
Der Ausgang des FFT enthält Amplituden- und Phaseninformationen für jede
von 256 (N) Abtastfrequenzen innerhalb des Prüfbereichs von 0,5 kHz bis
128 kHz in Stufen von 0,5 kHz (1/T). Der erste Ausgang vom Prozessor 34
auf ein Display 36, das ein CRT oder ein Plotter oder beides sein kann,
ist das Spektrum des Ausgangssignals, d.h. die Amplitude jeder
Prüffrequenz gegenüber der Frequenz. Wenn keine Verzerrung durch den Verstärker
20 erzeugt wird, zeigt dieses nur die beiden Töne bei 20 bzw. 22 kHz.
Jedoch wird das Spektrum normalerweise auch IMPs bei verschiedenen
Pegeln und Oberwellen enthalten. Die IMPs dritter Ordnung werden bei 18
und 24 kHz, die fünfte Ordnung bei 16 und 26 kHz und so weiter sein.
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Um die Phasen- und Amplitudeninformation, die durch das FFT
erzeugt würde, zu analysieren, ist es erforderlich, die Phasen- und
Amplitudenverzerrung gegenüber der Zweitonsignalamplitude aufzuzeichnen.
Typische derartige Aufzeichnungen sind in den Fig. 6a bis 6d für
verschiedene Verzerrungstypen dargestellt. Um diese Aufzeichnungen zu
erzeugen, identifiziert das vom Computer 34 durchlaufene Programm in dem
Spektrum die beiden Töne und errechnet die Vektorsumme dieser beiden
Töne, wie in Fig. 5 gezeigt, wo der erste Ton durch den Vektor 44
identifiziert
wird, der ausgedrückt werden kann als A&sub1;e-j(ω&sub1;t+∅&sub1;). Der zweite
Ton wird durch den Vektor 46 dargestellt als A&sub2;e-j(ω&sub2;t+∅&sub2;). Im
vorliegenden Beispiel sind ω&sub1; = 20kHz und ω&sub2; = 22kHz, sind ∅&sub1; und ∅&sub2; die
relativen Phasen der beiden Töne. Wo die Frequenzstandards der
Signalgeneratoren 22 und 24 miteinander verbunden sind, wird ∅&sub1; - ∅&sub2; ein
konstanter Wert sein. Die Maximumamplituden der Signale A&sub1; und A&sub2; sind
idealerweise gleich. Die Vektorsumme der beiden Töne 44 und 46 wird durch den
Vektor 48 gezeigt. Es sei darauf hingewiesen, daß der Vektor 48 zeitlich
und sich seine Amplitude als Funktion der Zeit ändert, da die Frequenzen
in ihren beiden Komponenten verschieden sind. Die Phase der Vektorsumme
48 der beiden Töne wird als Bezugsphase während der folgenden Analyse
verwendet.
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Die mittlere Frequenz der beiden Töne, d.h. 21kHz im
vorliegenden Beispiel, wird ebenfalls als Referenzfrequenz verwendet. Daher
haben die beiden Töne relativ zu dieser Frequenz Frequenzen von plus
bzw. minus 1kHz, wodurch resultiert, daß ihre Vektorsumme 48 eine
konstante Phase besitzt.
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Das Computerprogramm identifiziert aus dem Ausgang des FFT
diejenigen Abtastfrequenzen, bei denen ein großes Signal auftritt, d.h.
ein solches, das eine Amplitude größer als einen vorbestimmten
Schwellenwert aufweist. Die Schwelle kann durch bezug auf die Amplitude der
Signale bei den Abtastfrequenzen entsprechend zu den Eingangstönen und
dem erforderlichen Pegel bestimmt werden, auf den alle IMPs zu
reduzieren sind, wie durch die Auslegungsspezifikation für den Verstärker
bestimmt wird. Nur Signale, die sich bei IMPs-Frequenzen (beispielsweise
±3kHz, ±rkHz, usw.) sind, werden in den folgenden Berechnungen
verwendet. Die anderen großen Signale werden nur als ein Check für die
Überprüfung überwacht. Es sollten keine großen Signale außer den IMPs und
den Oberwellen existieren. Die Phasen dieser IMPs relativ zu der
Referenzphase wird dann berechnet. Aus dieser Information ist es
möglich, die Vektorsumme der IMPs für eine Anzahl von Punkten,
typischerweise 200 während 1 ms-Periode zu berechnen, was 1kHz
entspricht und daher einen kompletten Zyklus der Vektorsumme der beiden
Töne überdeckt. Die Komponente der Vektorsumme der IMPs, die in Phase
mit der Vektorsumme der beiden Töne ist, wird dann berechnet. Diese
Komponente stellt die Amplitudenverzerrung dar und wird gegenüber den
beiden Tonamplituden für die Zwecke des Displays oder Druckers 38
aufgezeichnet. Die Komponente der Vektorsumme der IMPs bei 90º zur
Referenzphase repräsentiert die Phasenverzerrung. Diese wird gegen die
beiden Tonamplituden für den Ausgang 40 aufgezeichnet.
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Es gibt vier Grundformen dieser Diagramme. Jedoch kann
irgendein besonderer zu prüfender Verstärker Modifikationen dieser Formen
erzeugen. Die beiden Basisformen der Amplitudenverzerrungsdiagramme sind
auf der rechten Seite in den Fig. 6a und 6b mit dem Effekt gezeigt, den
sie auf die aktuelle Wellenform, die links gezeigt ist, haben, wobei die
durchgezogene Wellenform 50 die ideale unverzerrte Wellenform und die
gestrichelte Linie 52 die verzerrte Wellenform zeigt.
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Wie in Fig. 6a dargestellt, gibt es eine positive
Amplitudenverzerrung bei niedrigen Pegeln der beiden Tonamplituden und eine
negative Amplitudenverzerrung bei hohen Pegeln. Dies wird durch die
Verstärkung des Verstärkers 20 bewirkt, die mit der Amplitude abnimmt, wie
durch einen Vergleich der Wellenformen 50 und 52 auf der linken Seite
von Fig. 6a ersichtlich ist.
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Das Amplitudenverzerrungsdiagramm, das in Fig. 6b dargestellt
ist, zeigt das Ergebnis der mit der Amplitude abnehmenden Verstärkung.
Diese Art von Verzerrung ist als Überkreuzverzerrung bekannt.
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Ähnliche Diagramme zur Phasenverzerrung sind in den Fig. 6c
und 6d gezeigt. In Fig. 6c ist die Verzerrung aufgrund der Verzögerung
durch den Verstärker dargestellt, die mit der Amplitude des Signals
ansteigt. Die Umkehrsituation ist in Fig. 6d dargstellt.
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Diagramme des Spektrums, wie sie auf dem Display 36
dargestellt sind, das Amplitudenverzerrungsdiagramm, wie auf dem Display 38
dargestellt, und das Phasenverzerrungsdiagramm, wie auf dem Display 40
dargestellt, werden erhalten und vorzugsweise für zwei Töne ausgedruckt,
die durch die Signalgeneratoren 22 und 24 an verschiedenen Punkten im
Frequenzbereich des Verstärkers 20 erzeugt werden. Ein Diagramm der
zeitgleichen Wellenform kann ebenfalls erzeugt werden, wenn es
erforderlich ist, die Frequenz zu messen. Diese Resultate können dann analysiert
werden, um zu bestimmen, wie am besten die Vorverzerrungskreise
ausgelegt werden, um die bei verschiedenen Frequenzen aufgefundenen
Verzerrungstypen innerhalb des Arbeitsbereichs des Verstärkers zu
kompensieren. Typischerweise wird es notwendig sein, diesen Arbeitsbereich in
eine Anzahl von Unterbereiche zu unterteilen, die verschiedene
Verzerrungscharakteristiken aufweisen. Für jeden Bereich wird ein geeigneter
Vorverzerrungskreis ausgelegt, der die entgegengesetzte Änderung in
Verstärkung und Phase mit der Amplitude zu demjenigen liefert, den der
Verstärker 20 erzeugt.
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Ein einfacher und wirksamer Weg zum Erzeugen von Verzerrung
besteht darin, Paare von Dioden und Impedanzen zu verwenden. Ein
Schaltkreis wie in Fig. 2 gezeigt wird den Überkreuztyp der
Amplitudenverzerrung, der in Fig. 6b dargestellt ist, kompensieren, wenn die Impedanzen
Z geeignete Widerstände sind. Bei niedrigen Amplituden, wo die Dioden 54
und 56, bei denen es sich vorzugsweise um Schottky Dioden handelt,
nichtleitend sind, wird die Ausgangsspannung über den Anschlüssen 58
durch den Vorverzerrungskreis nicht beeinträchtigt, wohingegen bei
höheren Spannungen oder Amplituden, bei denen die Dioden leiten, der
Widerstand eine größere Dämpfung erzeugt, um die vergrößerte Verstärkung des
Verstärkers zu verschieben. Die Größe des Widerstands wird durch den
Betrag bestimmt, um den die Verstärkung mit der Amplitude ansteigt.
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Der in Fig. 3 dargestellte Schaltkreis korrigiert den in Fig.
6a dargestellten Verzerrungstyp, wenn die Impedanz Z ein Widerstand ist.
In diesem Fall hat der Schaltkreis keine Wirkung, wenn die Dioden 60, 62
leitend sind, hat jedoch die Wirkung der Verringerung der Verstärkung
bei niedrigen Amplituden, wenn die Dioden ausgeschaltet sind.
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Korrekturen können zur Phasenverzerrung durch die Verwendung
von ähnlichen Schaltkreisen durchgeführt werden, in denen Z eine
Induktivität oder eine Kapazität ist. Daher liefert der Nebenschlußkreis von
Fig. 2 eine Phasenänderung, wenn die Dioden einschalten, und der
Reihenschaltungskreis von Fig. 3 liefert eine Phasenänderung, wenn die Dioden
ausschalten. Für die Art der in Fig. 6c dargestellten Phasenverzerrung
kann die notwendige Korrektur durch Verwendung einer Induktivität
entweder in dem Kreis von Fig. 2 oder Fig. 3 erzielt werden. Da eine Amplitu-