DE1219091B

DE1219091B - Verfahren zur phasenrichtigen linearen Verstaerkung amplitudenmodulierter Wechselspannungen

Info

Publication number: DE1219091B
Application number: DEW36137A
Authority: DE
Inventors: Mark I Jacob
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1963-02-25
Filing date: 1964-02-06
Publication date: 1966-06-16
Also published as: FR1381895A; US3248663A; GB1050952A; BE643478A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03f

Deutsche Kl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1219 091

Aktenzeichen: W 36137 VIII a/21 a2

Anmeldetag: 6. Februar 1964

Auslegetag: 16. Juni 1966

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur linearen Verstärkung elektrischer Signale mit hohem Wirkungsgrad.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines phasenrichtigen linearen Verstärkers unter Verwendung von Verstärkerstufen hohen Wirkungsgrades.

Es sind zwar lineare Verstärkeranordnungen bekannt, aber diese sind für den Einsatz von vorzugsweise mit Halbleitern bestückten Verstärkerstufen hohen Wirkungsgrades der genannten Art ungeeignet. In einer solchen neuartigen Verstärkerstufe, die keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, werden als Schalter betriebene Halbleitervorrichtungen verwendet, um ein Netzwerk mit geringer Impedanz für die zu verstärkende Frequenz und hoher Impedanz für alle Oberschwingungen derselben abwechselnd aufzuladen und zu entladen. Hierbei werden die Halbleitervorrichtungen (Transistoren) von einem Wechselstrom gesteuert, der die Transistoren im leitenden Zustand nur so weit sättigt, daß die kleinstmögliche innere Sättigungsimpedanz erzielt wird. Diese Bedingung wird während der gesamten Leitungsperiode ohne Übersteuerung des Transistors in irgendeinem Zeitpunkt beibehalten. Mit HiKe dieser Vorkehrungen ist es möglich, einen Wirkungsgrad in der Größenordnung von 90% und mehr zu erreichen. Der Einsatz solcher Verstärker zur linearen Verstärkung von Hochfrequenzen in Rundfunksendern u. dgl. ist erwünscht, stößt aber auf gewisse Schwierigkeiten, weil Amplitude und Schwingungsform des Steuerstromes durch die genannten Bedingungen weitgehend festgelegt sind.

Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, mit denen Wechselspannungen unter Verwendung von Verstärkern für konstante oder gering schwankende Amplituden verstärkt werden können. Die Verstärkung geschieht hier aber ohne Rücksicht auf die Phasenbeziehungen zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal. Beispielsweise wird hierzu die Amplitudenmodulation des Eingangssignals in eine Pulslängenmodulation umgewandelt, und die entstandenen Impulse veränderlicher Länge werden verstärkt und anschließend mittels eines Tiefpaßfilters wieder in ein amplitudenmoduliertes Signal zurückverwandelt. Auf die Phasenbeziehungen wird hierbei keine Rücksicht genommen.

Die Erfindung beruht demgegenüber auf dem Grundgedanken, daß das Eingangssignal in zwei Kanäle aufgespalten wird, deren gegenseitige Phasenverschiebung von der Amplitude des Eingangssignal abhängt. Die beiden Komponenten werden getrennt gleichmäßig verstärkt und anschließend wieder vek-Verfahren zur phasenrichtigen linearen
Verstärkung amplitudenmodulierter
Wechselspannungen "Z

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V, St.·A.)

Vertreter: - \ ■·

Dipl.-Ing. G. Weinhausen* Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46

Als Erfinder benannt:
Mark I. Jacob, · i

Ellicott City, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. Februar 1963
(260 758)

torieil addiert. Auf diese Weise, erhält man am Ausgang ein verstärktes Signal, das in Amplitude und Phase dem Eingangssignal getreu folgt.
In Ausführung dieses Grundsatzes ist das erfindungsgemäße Verfahren zur phasenrichtigen Verstärkung amplitudenmodulierter Wechselspannungen dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal auf einen Phasenspalter gegeben wird, der aus dem Eingangssignal zwei um 90° in der Phase zueinander verschobene Signalkomponenten erzeugt, von denen die eine auf einen Begrenzer gegeben wird¹, daß die beiden Signalkomponenten anschließend in einem Addierglied vektoriell addiert und subtrahiert werden, daß die gewonnenen Summen- und Differenzsignale, deren Phasenbeziehung von der Amplitude des Eingangssignals abhängt, in getrennten Verstärkern für sich linear verstärkt und anschließend einem Addierglied zur vektoriellen Addition zugeführt werden. Als Verstärker in den parallelen Zweigen können die genannten Halbleiterverstärker eingesetzt werden, da hier nur die Phasenänderungen von Belang sind. Die Vereinigung der einzelnen verstärkten Signale geschieht vorzugsweise in einem einfachen rückwirkungsfreien Addierglied.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels
zeigt

erläutert. In der Zeichnung

609 579/273

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Ajisführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein Vektordiagramm der Schaltung nach F i g. 1 und

F i g. 3 das Schaltbild eines für die „Zwecke der Erfindung geeigneten Addiergliedes.

Gemäß Fig. 1 sind die Eingangsklemmen 11 und 12, an denen ein-Signal

Ε/Θ

zugeführt wird, über eine Leitung 15 an einen Phasenspalter 21 angeschlossen, der das Eingangssignal in zwei Signale aufspaltet, welche einen Phasensprung von 90° gegeneinander aufweisen. Solche Phasenspalter sind an sich bekannt. Die beiden entstandenen Komponenten des Eingangssignals können mit

E' /Θ — 90 und E' / Θ

bezeichnet werden. Der Phasenspalter 21 ist über die Leitungen 25 und 27 mit einem linearen Verstärker 19 und einem Begrenzerverstärker 41 verbunden, so daß sich zwei Zweige ergeben, worin das erste Signal

Ε'/Θ-90_

dem linearen Verstärker 19 und das zweite Signal
E'/Θ

dem Begrenzer 14 zugeführt wird. Der Begrenzer 14 ist über eine Leitung 42 mit der einen Klemme der Primärwicklung 61 eines Transformators 60 verbunden, während die andere Klemme dieser Wicklung an Erde liegt. Der lineare Verstärker 19 ist über eine Leitung 43 mit der Mittelanzapfung 64 der Sekundärwickhfhig 62 des Transformators 60 verbunden. Das eine Ende der Sekundärwicklung 62 ist mit einem linearen Verstärker 28 über eine Ader 54 verbunden, während das andere Ende der Sekundärwicklung 62 mit einem zweiten gleichartigen Verstärker 30 über eine Ader 58 verbunden ist. Die Verstärker 28 und 30 sind mit einem Addierglied 45 über die Leitungen 32 und 35 verbunden, während das Addierglied seinerseits mittels der Ader 55 an eine Sendeantenne 75 und mittels der Ader 57 an einen Trennwiderstand 40 angeschlossen ist. Die Verstärker 28 und 30 haben einen konstanten, möglichst gleichen Verstärkungsgrad und sind vorzugsweise als Halbleiterverstärker der eingangs angegebenen Art ausgeführt.

F i g. 2 zeigt die Spannungsverhältnisse der Anordnung. Die beiden Signale

Ε'/Θ-90 und E'/Θ

werden dem linearen Verstärker 19 bzw. dem Begrenzerverstärker 14 zugeführt. Der lineare Verstärker 19 erzeugt ein Signal, das linear hinsichtlich der Amplitude des Eingangssignals an den Klemmen 11 und 12 schwankt. Hat der Verstärker 19 einen Verstärkungsfaktor K, so ist also das Signal an seinem Ausgang

KE' /@—90 .

Zu beachten ist, daß dieses Signal den gleichen Phasenwinkel wie das Eigangssignal des Verstärkers hat, also"© —90°.
Das zweite Signal

wird dem Begrenzerverstärker 14 zugeführt, an dessen Ausgang ein Signal mit der konstanten Amplitude K'E' unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals auftritt, wobei jedoch die Phase © erhalten, bleibt. Somit hat das Signal am Ausgang des Begrenzers 14 den Wert

K¹E' / Θ :

Die beiden Signale

ΚΈ'/_Θ_ und KE'/Θ-90

werden so auf den Transformator 60 gegeben, daß das Signal

K¹E' / Θ

vom Begrenzer 14 die Primärwicklung 61 des Transformators 60 speist, während das Signal

KE'/Θ-90

vom linearen Verstärker 19 an die Mittelanzapfung 64 der Sekundärwicklung 62 angelegt wird. An den Enden der Sekundärwicklung 62 treten demzufolge as Signale auf, welche die Summe und Differenz der an der Primärwicklung und der Mittelanzapfung vorhandenen Spannungen sind. Das eine Ende der Sekundärwicklung 62 liefert somit ein Zwischensignal E₁, das die Vektorsumme von

KE' /Θ-90 und K'E'/Θ

darstellt, also

JE₁ = KE'

-90 + K'E'/Θ .

Dieses Signal wird über die Ader 54 dem Verstärker 28 zugeführt. Das andere Ende der Sekundärwicklung 62 liefert ein ZwischensignalE₂, das gleich der Differenz zwischen

ist, also

KE' /Θ-90 und K'E'/_Q_ E₂ = KE' /0-90 -K'E'/Θ

Die Zwischensignale E₁ und E₂ zeigen beide Phasenschwankungen hinsichtlich des Eingangssignals

Ε/Θ,

da das Signal

KE',

■90

vom linearen Verstärker 19 eine zum Eingangssignal proportionale Amplitudenschwankung aufweist. Das Signal E₁ wird, wie gesagt, über die Ader 54 auf den ersten Verstärker 28 gegeben, der beispielsweise als Halbleiterverstärker hohen Wirkungsgrades aufgebaut ist. Am Ausgang dieses Verstärkers ist somit das erste Zwischensignal E₁ um den Verstärkerfak-

tor G₁ verstärkt, so daß auf der Ader 32 ein Signal G₁E₁ auftritt. In gleicher Weise wird das zweite Zwischensignal E₂ über die Ader 58 dem zweiten Verstärker 30 zugeführt, dessen Gewinn G₂ im wesentlichen gleich demjenigen des ersten Verstärkers 28 ist. Auch dieser Verstärker besteht vorzugsweise aus einem Festkörperverstärker hohen Wirkungsgrades. Am Ausgang dieses Verstärkers auf der Ader 35 herrscht somit ein Signal G₂E₂.

Eine praktische Ausführungsform des Addiergliedes 45, dem die beiden Signale G₁E₁ und G₂E₂ zugeführt werden, ist in F i g. 3 dargestellt. Das Addierglied 45 enthält einen Transformator 48 und einen Transformator 51, die so verbunden sind, daß die in den Sekundärwicklungen 49 und 53 der Transformatoren 48 und 51 induzierten Spannungen an den betreffenden Primärwicklungen 47 bzw. 52 des anderen Transformators keine Rückwirkung auslösen können. Hierzu sind die Wicklungsenden der Primärwicklung 47 des Transformators 48 mit dem ersten Verstärker 28 über die Leitung 32 verbunden. Die Sekundärwicklung 49 des Transformators 48 ist mit dem Ausgangswiderstand 36 und einem Trennwiderstand 40 derart verbunden, daß das eine Ende der Sekundärwicklung 49 über die Ader 55 mit dem einen Ende des Ausgangswiderstandes 36 verbunden ist, während das andere Ende der Sekundärwicklung 49 mit einem Ende des Trennwiderstandes 40 über die Ader 57 verbunden ist. Die anderen Enden der Widerstände 36 und 40 sind miteinander und mit Erde verbunden. Die Primärwicklung 52 des anderen Transformators 51 ist mit dem zweiten Verstärker 30 über die Leitung 35 verbunden. Die Sekundärwicklung 53 ist einerseits an die Mittelanzapfung 50 der Sekundärwicklung 49 des ersten Transformators angeschlossen, während das andere Ende der Sekundärwicklung 53 über die Ader 56 an Erde liegt. Durch diese Schaltung wird eine Wechselwirkung zwischen den Verstärkern 28 und 30 verhindert, so daß beide Verstärker unter allen Betriebsbedingungen einen konstanten Außenwiderstand besitzen. Es handelt sich um die bekannte Hybridenschaltung, die bei der Speisung von Sendeantennen häufig angewandt wird. Der Lastwiderstand 36 kann demgemäß den Strahlungswiderstand einer Sendeantenne darstellen. Die Schaltung 45 ist unabgestimmt und benötigt demgemäß bei Frequenzänderungen in weiten Grenzen keine Nachstellung.

Die Verhältnisse im Addierglied 45 ergeben sich aus der Vektordarstellung der Fig. 2. Am Ausgang des Verstärkers 28 tritt das Signal G₁E₁ und am Ausgang des Verstärkers 30 das Signal G₂E₂ auf, wobei gilt

E₁ = KE'/Θ -90 + K¹E' E₂ = KE'

stand 40 ein Signal E₁ gemäß der Beziehung

E₁ =

G₂E₂

G₁E₁

»-90 - K¹E'/Θ .

Die Spannungen G₁E₁ und G₂E₂ liegen an den Primärwicklungen 47 und 52, und das Addierglied summiert die an den Sekundärwicklungen 49 und 53 auftretenden entsprechenden Spannungen vektoriell. Die Hälfte des Signals E₁ wird also vektoriell zur Hälfte des Signals E₂ addiert und ergibt ein Ausgangssignal

E₀ =

G₁E₁

G₀. Ea.

In der anderen Hälfte der Sekundärwicklung 49 wird die Hälfte des Signals E₁ von der Hälfte des Signals^ subtrahiert, so daß sich am Trennwiderergibt.

Setzt man die oben angegebenen Werte für G₁E₁ und G₂E₂ ein, so ergibt sich, daß das Ausgangssignal E₀ in der Amplitude proportional zum Ein-

gangssignal E ist und demselben stets genau um 90° nacheilt. Der Ausgangsvektor E₀ gibt also das Eingangssignal phasenrichtig in verstärkter Form wieder. Bei einem ausgeführten Beispiel der Schaltung nach F i g. 1 ergab sich der Gesamtwirkungsgrad zu etwa 90%, und Verzerrungen dritter Ordnung lagen in der Größenordnung von —40 db. Die Linearität war also ausgezeichnet. Da die Verlustleistung in einem konzentrierten Widerstand vernichtet wird, kann dieser Widerstand ohne Schwierigkeiten an

ao einem Ort untergebracht werden, wo seine hohe Temperatur nicht stört. Da das Addierglied unabgestimmt ist und deshalb keine Einstellung benötigt, kann die erfindungsgemäße Schaltung in weiten Frequenzgrenzen betrieben werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur phasenrichtigen Verstärkung amplitudenmodulierter Wechselspannungen, dadurch gekennzeichnet, daßdasEingangs- signal auf einen Phasenspalter (21) gegeben wird, der aus dem Eingangssignal zwei um 90° in der Phase zueinander verschobene Signalkomponenten erzeugt, von denen die eine auf einen Begrenzer (14) gegeben wird, daß die beiden Signalkomponenten anschließend in einem Addierglied (60) vektoriell addiert und subtrahiert werden, daß die gewonnenen Summen- und Differenzsignale, deren Phasenbeziehung von der Amplitude des Eingangssignals abhängt, in getrennten Verstärkern (28, 30) für sich linear verstärkt und anschließend einem Addierglied (45) zur vektoriellen Addition zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Addierglied (45), das die phasenrichtige Ausgangsspannung liefert, rückwirkungsfrei mit den beiden in parallelen Zweigen liegenden Linearverstärkern (28, 30) verbunden ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der in parallelen Zweigen liegenden Linearverstärker ein Halbleiterverstärker hohen Wirkungsgrades ist, der ein mit Hilfe von Halbleitervorrichtungen abwechselnd aufgeladenes und entladenes Netzwerk mit einer Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Halbleitervorrichtungen im Takt der Resonanzfrequenz derart gesteuert sind, daß sie während der Aufladung und Entladung stets ihren kleinstmöglichen Innenwiderstand aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1141675,
633.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen