DE2238173A1

DE2238173A1 - METHOD OF AMPLIFICATION OF SIGNALS

Info

Publication number: DE2238173A1
Application number: DE19722238173
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Russer
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1972-08-03
Filing date: 1972-08-03
Publication date: 1974-02-14

Description

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. Methods of Amplifying Signals The invention is concerned with a method for amplifying pulse-shaped signals and with a switching to carry out the procedure.

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.The invention has set itself the task that the gain is also possible in the GHz range without any feedback, with simultaneous decoupling low noise of the input and output signal and the possibility of regeneration the applied signal form.

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.This is solved by having a switching memory diode through charges an input-side signal pulse in the direction of flow and then for charge generation about a relative high-resistance load circuit with the help of a pulse discharges in the reverse direction.

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.In the following, the inventive method, a circuit to carry out the method and the advantages achievable with the invention based on the figures are explained in more detail.

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.If a memory switching diode is operated in the forward direction, then a charge is stored in it. This charge is equal to the integral of the current over time, reduced by a decrease due to the finite service life the charge carrier occurs exponentially over time. The service life of the charge carriers is in the order of 100 ns. Flows in immediately after charging Current in reverse direction, the diode remains low until the stored Charge has flowed out completely.

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.Then there is an abrupt transition of the diode to the blocked state. The transition time is in the order of 100 ps. For processes, their duration is short compared to the carrier life, the memory switching diode can be classified as lossless consider nonlinear capacitance. Fig.l shows the principle of the inventive Amplifier. The following idealized assumptions are made to illustrate the function met; The memory switching diode Dt has in the uncharged state an infinitely small capacity and, for a positive charge, an infinitely large one Capacity. The diode D2 has no resistance in the forward direction and in the reverse direction an infinitely great resistance.

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.First, a current pulse with the amplitude -I1n is impressed on the memory switching diode in the flow direction for the duration T In. The storage switching diode receives a charge = = 11n T In (1) The index n stands for the nth pulse of the current source il (t). Since the storage switching diode has an infinitely high capacity for positive charge, no voltage drops across it. Therefore, no power is required to charge D1. After each negative signal pulse, a positive current pulse is sent from the pulse source I to the memory switching diode. During the positive pulse es i2 (t) the diode D2 is blocked and a current with the amplitude flows through RL where I20 is the amplitude of the current impressed in front of the current source i2 (t). The current I2 flows until the memory switching diode is discharged. The duration of the nth pulse of 2 (t) is qn (3) # 2n I2 The duration of the output pulse of constant amplitude 12 is proportional to the charge of the control pulse. During the period T2n, the voltage UL = I2RL is applied to RL. (4) The energy WLn = I2 2 RL # 2n is delivered to the load RL. From Eqs. (1), (3), (4) and (5) it follows that WLn = RLI1n # 1n = UL I1n # 1n. (6) Since the discharge voltage drops completely at RL, the energy of the output pulse is equal to the product of the charge of the input pulses and the discharge voltage, or the average output power is equal to the product of the average input current and the discharge voltage amplitude. Furthermore, from Eq. (5) that the gain can be regulated by the discharge amplitude I2.

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.ei finite capacity of the memory switching diode in flux direction e2 ne control power to apply, since the control of the memory switching diode can no longer be carried out without voltage. In the following, the gain is to be calculated for this case. It is assumed that the memory switching diode has the constant capacitance value C for q> O, otherwise the capacitance may disappear. The control current -I1n flowing during the time 7in again causes a charge qn according to Eq. (1). A voltage UDn (7) UDn = C (7) is applied to the memory switching diode at the end of the control pulse. The energy was used to charge the memory switching diode needed.

Während der Zeit T 2n fliesst der Strom I2 durch die Diode.During the time T 2n, the current I2 flows through the diode.

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.The power WLn according to G1. (5) delivered to the load. The amplification of the pulse energy is therefore For the greatest possible power amplification, memory switching diodes with the greatest possible diffusion capacitance are to be used. Furthermore, the load resistance should be large and the mean pulse duration small.

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.The recharging amplifier according to Fig.l leaves the area of a current pulse constant. While the input pulse only needs to have a low voltage, the output pulse has a high voltage.

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.A chain connection of amplifiers is according to a further development of the invention possible if a transformer is used between the individual amplifier stages a gear ratio n: i can be switched. In doing so, the charge that is transmitted from one stage to the next with each pulse, amplified n times. 3 shows a multistage recharging amplifier. The discharge voltages for each The stages of the amplifier must have a phase shift from one another, see above that the reloading processes between the individual stages take place one after the other. In the simplest case, two discharge voltages u ip and u2 are required, which are opposite to one another are shifted by half a period.

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.In Fig.4 is the time course of the currents and voltages in the Circuit shown in Fig.3. At the input of the amplifier there are short ones as shown in FIG Current pulses i (t). Through the input transformer, the signal source is sent to the adapted to the low-resistance input of the first stage. During the input pulse, the memory switching diode with the charge 1 1 f i2i (t) dt = n / i (t) dt (10) charged, where the integral is to extend over the pulse duration. Through a weak negative During the charging of D11, the potential of u lp becomes somewhat in the forward direction of the diode D21 and D slightly biased in the reverse direction. During 31 of the pump pulse u (t) becomes the memory switching diode discharge Ip the. D31 is open and D21 is blocked. Of the Current i12 flows until the charge q1 has completely drained from the diode D11 is. As long as i12 is flowing, diodes D11 and D are low-resistance. The tension ulp therefore largely falls on the primary winding of the output transformer. Of the The charging current i22 for the diode D12 is n times as large as the discharge current i12 of the Diode D1l. After completion of the recharging process, the n-fold is in the diode D12 Charge stored, which was previously stored in D11: q2 (nT + s) = nq1 (nT) (11) The transmission ratio n can at most be made as large as the ratio from positive discharge voltage amplitude to the voltage required to generate a To load memory switching diode. Since the required charging voltage increases with Signal amplitude grows, occurs if the reduction ratio n: 1 is too large certain signal amplitudes limit the amplified signal. The amplifier linearly amplifies the impulse area. Exceeds the width of the output pulse the width of a discharge pulse, the memory switching diode with a single Discharge pulse no longer fully discharged. In dependence of the Area of the input pulse, several output pulses occur. Is the occurrence multiple output pulses are not desired, it is possible by a suitable choice of the discharge voltage amplitude or the transmission ratio of the transformer to ensure that limitation occurs before the width of the output pulse reaches the width of the discharge pulse.

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.The following operating modes are of interest: (a) Linear operation The The energy of the output pulse is proportional to the energy of the input pulse. In this operating case, the circuit is suitable for analog amplification of pulse signals (e.g. PAM, PECH). Pulse shaping takes place at the same time as the pulse amplification. The output pulses are synchronous with the cycle of the discharge voltages.

Es erfolgt daher auch ein sogenannter Retiming der Impulse.A so-called retiming of the impulses therefore also takes place.

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.As can be seen from Fig. 4, temporal fluctuations of an input pulse, as long as it falls entirely within the interval (nT + T, (n + 1) T), irrelevant. A So-called edge jitter of the input signal can therefore be completely eliminated. Since the input signal is averaged over a sampling period, high-frequency signals are also generated Amplituloruçtörllr, gell already suppressed at the input of the amplifier.

(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.(b) Overdriven operation with limitation In this operating case, suitable the transfer amplifier for digital applications. Logical links can can be implemented by combining with a diode logic. With the amplifier leaves build up a clock-synchronized, sequential logic.

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.In overdriven operation with limitation, the losses are between the individual gates balanced, but the pulses do not exceed their setpoint reinforced. The isochronous operation creates a T defined in each gate Delay of 2 Minor transit time differences on the lines are irrelevant, since it does not matter when the input pulses occur within an interval (nT + T, (n f i) T) get to the gate inputs. Provided different impulses to the Inputs of a gate arrive, they are considered to be logically simultaneous if and only if if they reach the inputs within the same clock interval.

Dabei müssen sich die Stromimpulse nicht wirklich zeitlich überlappen.The current pulses do not really have to overlap in time.

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.For logic applications, the operation of the limiting Amplifier according to Figure 3 as a shift register of interest. As can be seen from Fig. 4, the impulses are shifted exactly by T in each step.

2 (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. 2 (c) Overdriven operation without limitation Without intended limitation by the discharge voltage amplitude or the transformer reduction A memory switching diode can be charged so strongly1 that it can be charged by a single Discharge pulse can no longer be completely siphoned off. Then there are several Discharge pulses required to discharge the memory switching diode.

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.The number of output pulses is then proportional to the input amplitude. In this way, a simple analog-digital converter can be implemented. the Circuit again corresponds to Fig.3. It's only for a sufficiently small one n or sufficiently large u lp or u 2p.

Eine Umwandlung des digitalisierten Signals in ein binär codiertes Signal kann durch geeignete Zählschaltungen erfolgen.A conversion of the digitized signal into a binary coded one Signal can be made by suitable counting circuits.

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.It should be mentioned that with the recharging amplifier in operating mode (a) (Analog amplifier) a digital-to-analog converter can also be implemented. The output pulse is the number of input pulses of the same area within a clock interval proportional.

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.The amplifier according to the invention is simply used simultaneously a regeneration of the signal shape is achieved with the amplification. Non-reactive Pulse amplifier in the GHz range can be implemented because the Components are suitable for the highest frequencies and input and output signals are timed are decoupled.

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.Compared to pulse-forming circuits with tunnel diodes and Gunn elements In addition to the absence of feedback, the amplifier has the advantage that it does not have any Has an input threshold value and therefore safely amplifies even the smallest pulse amplitudes. The amplifier has a better quality than any other pulse amplifier circuit Noise behavior on. Ideally, there are no losses in the amplifier. With the Amplifiers can also be shift registers, analog-digital converters, digital-analog converters and implement logic gates with isochronous output.

Claims

Q Method for amplifying pulse-shaped signals, characterized in that that a switching memory diode by an input-side signal pulse in the flow direction charged and then for charge generation via a relatively high-resistance load circuit with the help of a pulse it is discharged in the reverse direction.

2. The method according to claim 1, characterized in that discharge pulse shape and / or discharge pulse sequence are adjustable.

3. Circuit after performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that in series with a switching memory diode (D) the - load circuit short-circuited during the charging time by means of a switching diode (D2) (R1) is that the signal source (S) is connected in parallel to this series circuit and that an additional pulse generator (I) is connected to the switching memory diode (D1) is coupled.

4. Circuit according to claim 3, characterized in that the amplifier is built up in several stages, that the individual amplifier stages transformer are coupled and leuEeleir have a decomposition ratio n: 1 and that di the Discharge pulses supplied to individual stages cause such a phase shift among themselves show that the reloading processes in the individual stages one after the other take place.

5. A circuit according to claim 4, characterized in that two each Pulse series shifted from one another by half a period are used as discharge pulses Find.

6. Circuit according to one of the preceding claims, characterized in that that it is dimensioned in such a way that input pulses are amplified linearly.

7. Circuit according to one of claims 3-5, characterized in that that the amplifier is operated overdriven.

8. A circuit according to claim 7, characterized in that the amplifier limited.

9. Circuit according to claim 7, characterized in that the amplitudes the discharge pulses and / or the reduction n: 1 are chosen so that the existing The charge storage diode is only partially charged during the duration of a discharge pulse is discharged.

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