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Verfahren zur Verstärkung von Signalen Die Erfindung befasst sich
mit einem Verfahren zur Verstärkung von impulsförmigen Signalen und mit einer Schalt
tung zur Durchführung des Verfahrens.
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Dabei hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, dass die Verstärkung
auch im GHz-Bereich rückwirkungsfrei möglich ist bei gleichzeitiger Entkopplung
von Eingangs- und Ausgangssignal geringem Rauschen und der Möglichkeit einer Regeneration
der zugeführten Signalform.
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Dies wird dadurch gelöst, dass man eine Schaltspeicherdiode durch
einen eingangsseitigen Signalimpuls in Flussrichtung auflädt und danach zur Ladungsgewinnung
über einen relativ
hochohmigen Lastkreis mit Hilfe eines Impulses
in Sperrrichtung entlädt.
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Im folgenden sollen das erfindungsgemässe Verfahren, eine Schaltung
zur Durchführung des Verfahrens und die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile anhand
der Figuren näher erläutert werden.
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Wird eine Speicherschaltdiode in Flussrichtung betrieben, so wird
in ihr eine Ladung gespeichert. Diese Ladung ist gleich dem Integral des Stromes
über die Zeit, vermindert um eine Abnahme, die auf Grund der endlichen Lebensdauer
der Ladungsträger exponentiell mit der Zeit erfolgt. Die Lebensdauer der Ladungsträger
liegt in der Grössenordnung von 100 ns. Fliesst unmittelbar nach der Aufladung ein
Strom in Sperrichtung, so bleibt die Diode so lange niederohmig, bis die gespeicherte
Ladung vollständig aubgeflossen ist.
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Dann erfolgt ein abrupter Übergang der Diode in den gesperrten Zustand.
Die Übergangszeit liegt in der Grössenordnung von 100 ps. Für Vorgänge, deren Dauer
kurz gegenüber der Trägerlebensdauer ist, kann man die Speicherschaltdiode als verlustfreie
nichtlineare Kapazität betrachten. Fig.l zeigt das Prinzip des erfindungsgemässen
Verstärkers. Zur Veranschaulichung der Funktion werden folgende idealisierte Annahmen
getroffen;
Die Speicherschaltdiode Dt hat im ungeladenen Zustand
eine verschwindend kleine Kapazität und für positive Ladung eine unendlich grosse
Kapazität. Die Diode D2 hat in Flussrichtung keinen Widerstand und in Sperrichtung
einen unendlich grossen Widerstand.
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Zunächst wird der Speicherschaltdiode in Flussrichtung während der
Dauer T In ein Stromimpuls mit der Amplitude -I1n eingeprägt. Dabei erhält die Speicherschaltdiode
eine Ladung = = 11n T In (1) Der Index n steht für den n-ten Impuls der Stromquelle
il(t) Da die Speicherschaltdiode für positive Ladung eine unendlich hohe Kapazität
hat, fällt an ihr keine Spannung ab. Daher ist zur Aufladung von D1 keine Leistung
nötig. Nach jedem negativen Signalimpuls gelangt ein positiver Stromimpuls von der
Impulsquelle I an die Speicherschaltdiode. Während des positiven Impuls es i2(t)
ist die Diode D2 gesperrt und über RL fliesst ein Strom mit der Amplitude
wobei I20 die Amplitude des'vorn der Stromquelle i2(t) eingeprägten Stromes ist.
Der Strom I2 fliesst so lange bis die
Speicherschaltdiode entladen
ist. Die Dauer des n-ten Impulses von 2(t) ist qn (3) #2n I2 Die Dauer des Ausgangsimpulses
konstanter Amplitude 12 ist der Ladung des Steuerimpulses proportional. Während
der Dauer T2n liegt an RL die Spannung UL = I2RL . (4) An die Last RL wird die Energie
WLn = I2 ²RL #2n (5) abgegebene Aus den Gln. (1), (3), (4) und (5) folgt WLn = RLI1n#1n
= UL I1n #1n . (6) Da die Entladespannung völlig an RL abfällt, ist die Energie
des Ausgangsimpulses gleich dem Produkt der Ladung der Eingangsimpulse und der Entladespannung,
bzw. die mittlere Ausgangsleistung ist gleich dem Produkt des mittleren Eingangsstromes
mit der Entladespannungsamplitude. Ferner erkennt man aus Gl. (5), dass die Verstärkung
durch die Entladeamplitude I2 geregelt werden kann.
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ei endlicher Kapazität der Speicherschaltdiode in Flussrichist e2
ne Steuerleistung aufzutringen, da die Steuerung
der Speicherschaltdiode
nicht mehr spannungslos durchgeführt werden kann. Für diesen Fall soll im folgenden
die Verstärkung berechnet werden. Es wird angenommen, dass die Speicherschaltdiode
für q>O den konstanten Kapazitätswert C besitzt, sonst möge die Kapazität verschwinden.
Derwährend der Zeit 7in fliessende Steuerstrom -I1n bewirkt wieder eine Ladung qn
nach Gl. (1). An der Speicherschaltdiode liegt am Ende des Steuerimpulses eine Spannung
UDn (7) UDn = C (7) Zur Aufladung der Speicherschaltdiode wurde die Energie
benötigt.
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Während der Zeit T 2n fliesst der Strom I2 durch die Diode.
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Dabei wird wieder die Leistung WLn nach G1. (5) an die Last abgegeben.
Die Verstärkung der Impulsenergie beträgt daher
Für eine möglichst grosse Leistungsverstärkung sind also Speicherschaltdioden mit
einer möglichst grossen Diffusionskapazität zu verwenden. Ferner soll der Lastwiderstand
gross und die mittlere Impulsdauer klein sein.
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Der Umladeverstärker nach Fig.l lässt die Fläche eines Stromimpulses
konstant. Während der Eingangsimpuls nur über eine geringe Spannung verfügen muss,
besitzt der Ausgangsimpuls eine hohe Spannung.
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Eine Kettenschaltung von Verstärkern ist gemäss einer Weiterbildung
der Erfindung möglich, wenn zwischen die einzelnen Verstärkerstufen Übertrager mit
einem Übersetzungsverhältnis n: i geschaltet werden. Dabei wird die Ladung, die
mit jedem Impuls von einer Stufe zur nächsten übertragen wird, n-fach verstärkt.
Fig.3 zeigt einen mehrstufigen Umladeverstärker. Die Entladespannungen für die einzelnen
Stufen des Verstärkers müssen gegeneinander eine Phasenverschiebung aufweisen, so
dass die Umladevorgänge zwischen den einzelnen Stufen zeitlich hintereinander erfolgen.
Im einfachsten Fall sind zwei Entladespannungen u ip und u2 erforderlich, die gegeneinander
um eine halbe Periodendauer verschoben sind.
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In Fig.4 ist der zeitliche Verlauf der Ströme und Spannungen in der
Schaltung nach Fig.3 dargestellt. Am Eingang des Verstärkers liegen nach Fig.4 kurze
Stromimpulse i (t). Durch ii den Eingangsübertrager wird die Signal quelle an den
niederohmigen Eingang der ersten Stufe angepasst. Während des Eingangsimpulses wird
die Speicherschaltdiode mit der Ladung 1 1 f i2i(t)dt = n/i(t)dt (10)
aufgeladen,
wobei das Integral über die Impulsdauer zu erstrecken ist. Durch ein schwaches negatives
Potential von u lp wird während der Aufladung von D11 die Diode D21 etwas in Flussrichtung
und D etwas in Sperrichtung vorgespannt. Während 31 des Pumpimpulses u (t) wird
die Speicherschaltdiode entla-Ip den. Dabei ist D31 geöffnet und D21 gesperrt. Der
Strom i12 fliesst so lange, bis die Ladung q1 aus der Diode D11 vollständig abgeflossen
ist. Solange i12 fliesst, sind die Dioden D11 und D niederohmig. Die Spannung ulp
fällt daher gross-31 teils an der Primärwicklung des Ausgangsübertragers ab. Der
Ladestrom i22 für die Diode D12 ist n-mal so gross wie der Entladestrom i12 der
Diode D1l. Nach Abschluss des Umladevorganges ist in der Diode D12 das n-fache der
Ladung gespeichert, welche zuvor in D11 gespeichert war: q2 (nT + s) = nq1 (nT)
(11) Das Ubersetzungsverhältnis n kann maximal so gross gemacht werden wie das Verhältnis
von positiver Entladespannungsamplitude zur Spannung, die erforderlich ist, um eine
Speicherschaltdiode zu laden. Da die erforderliche Ladespannung mit zunehmender
Signalamplitude wächst, tritt bei zu grossem Untersetzungsverhältnis n:1 bei einer
bestimmten Signalampli tude eine Begrenzung des verstärkten Signals ein. Der Verstärker
verstärkt die Impulsfläche linear. Überschreitet die Breite des Ausgangsimpulses
die Breite eines Entladeimpulses, so wird die Speicherschaltdiode mit einem einzigen
Entladeimpuls nicht mehr vollständig entladen. In Abhängigkeit von
der
Fläche des Eingangsimpulses treten mehrere Ausgangsimpulse auf. Ist das Auftreten
mehrerer Ausgangsimpulse nicht erwünscht, so ist durch eine geeignete Wahl der Entladespannungsamplitude
bzw. des Ubersetzungsverhältnisses des Übertragers dafür zu sorgen, dass Begrenzung
eintritt bevor die Breite des Ausgangsimpulses die Breite des Entladeimpulses erreicht.
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Folgende Betriebsarten sind von Interesse: (a) Linearer Betrieb Die
Energie des Ausgangsimpulses ist proportional der Energie des Eingangsimpulses.
In diesem Betriebsfall eignet sich die Schaltung zur Analogverstärkung von Puls-Signalen
(z.B. PAM, PECH). Gleichzeitig mit der Impulsverstärkung erfolgt eine Impulsformung.
Die Ausgangsimpulse sind synchron zum Takt der Entladespannungen.
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Es erfolgt daher auch ein sogenannter Retiming der Impulse.
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Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, sind zeitliche Schwankungen eines Eingangsimpulses,
sofern er nur zur Gänze ins Intervall (nT + T, (n + 1) T) fällt, irrelevant. Ein
sogenannter Flankenjitter des Eingangssignals kann daher zur Gänze eliminiert werden.
Da das Eingangssignal über eine Abtastperiode gemittelt wird werden auch hochfrequente
Amplituloruçtörllr,gell bereits am Eingang des Verstärkers unterdrückt.
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(b) Übersteuerter Betrieb mit Begrenzung In diesem Betriebsfall eignet
sich der Umladeverstärker für digitale Anwendungen. Logische Verknüpfungen können
durch Kombination mit einer Diodenlogik realisiert werden. Mit dem Verstärker lässt
sich eine taktsynchrpne, sequentielle Logik aufbauen.
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Im übersteuerten Betrieb mit Begrenzung werden die Verluste zwischen
den einzelnen Gattern ausgeglichen, die Impulse aber nicht über ihren Sollwert hinaus
verstärkt. Durch den taktsynchronen Betrieb entsteht in jedem Gatter eine T definierte
Verzögerung von 2 Geringe Laufzeitdifferenzen auf den Leitungen spielen keine Rolle,
da es gleichgültig ist, wann die Eingangsimpulse innerhalb eines Intervalls (nT
+ T, (n f i) T) an die Gattereingänge gelangen. Sofern verschiedene Impulse an die
Eingänge eines Gatters gelangen, gelten sie genau dann als logisch gleichzeitig,
wenn sie innerhalb desselben Taktintervalles an die Eingänge gelangen.
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Dabei müssen sich die Stromimpulse nicht wirklich zeitlich überlappen.
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Für Logikanwendungen ist insbesondere der Betrieb des begrenzenden
Verstärkers nach Fig.3 als Schieberegister von Interesse. Wie man aus Fig.4 erkennt,
sind die Impulse in jeder Stufe genau um T verschoben.
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(c) Ubersteuerter Betrieb ohne Begrenzung Ohne
vorgesehene Begrenzung durch die Entladespannungsamplitude oder die Transformatoruntersetzung
kann eine Speicherschaltdiode so stark aufgeladen werden1 dass sie von einem einzigen
Entldeimpuls nicht mehr vollständig abgeschöpft werden kann. Es sind dann mehrere
Entladeimpulse zur Entladung der Speicherschaltdiode erforderlich.
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Die Anzahl der Ausgangsimpulse ist dann der Eingangsamplitude proportional.
Auf diese Weise kann ein einfacher Analog-Digitalwandler realisiert werden. Die
Schaltung stimmt wieder mit Fig.3 überein. Es ist nur für ein hinreichend kleines
n bzw. hinreichend grosse u lp bzw. u 2p zu sorgen.
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Eine Umwandlung des digitalisierten Signals in ein binär codiertes
Signal kann durch geeignete Zählschaltungen erfolgen.
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Es sei erwähnt, dass mit dem Umladeverstärker im Betriebsmodus (a)
(Analogverstärker) auch ein Digital-Analogwandler realisiert werden kann. Der Ausgangsimpuls
ist dabei der Anzahl der flächengleichen Eingangsimpulse innerhalb eines Taktintervalles
proportional.
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Nit dem erfindungsgemässen Verstärker wird in einfacher Weise gleichzeitig
mit der Verstärkung eine Regeneration der Signalform erzielt. Rückwirkungsfreie
Impulsverstärker
im GHz-Bereich sind realisierbar, da die verwendeten
Bauelemente für höchste Frequenzen geeignet sind und Ein- und Ausgangssignal zeitlich
entkoppelt sind.
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Gegenüber impulsformenden Schaltungen mit Tunneldioden und Gunn-Elementen
besitzt der Verstärker neben der Rückwirkungsfreiheit den Vorteil, dass er keinen
Eingangsschwellwert besitzt und daher kleinste Impulsamplituden noch sicher verstärkt.
Der Verstärker weist gegenüber allen anderen Impulsverstärkerschaltungen ein besseres
Rauschverhalten auf. Im Idealfall treten im Verstärker keine Verluste auf. Mit dem
Verstärker lassen sich ausserdem Schieberegister, Analog-Digital-Wandler, Digital-Analog-Wandler
und logische Gatter mit taktsynchronem Ausgang realisieren.