DE2606270A1

DE2606270A1 - Phasengenauer wechselspannungs- verstaerker hoher dynamik

Info

Publication number: DE2606270A1
Application number: DE19762606270
Authority: DE
Inventors: Erwin Vachenauer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1977-08-18
Also published as: DE2606270B2; FR2341981B1; GB1572136A; DE2606270C3; US4090150A; FR2341981A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, den 1 ?. FIB. 1976

Berlin und München 3 Witteisbacher Platz 2

^VPA 76 P 65 3 6 BRD

Phasengenauer Wechselspannungs-Verstärker hoher Dynamik

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Verstärkerschaltung zur unverfälschten Übertragung der Phaseninformation eines zugeführten WechselSpannungssignals über einen großen Dynamikbereich.

Es ist eine Möglichkeit zur phasengenauen Wechselspannungsverstärkung über einen großen Dynamikbereich bekannt (deutsche Auslegeschrift 2 439 612, insbesondere Spalte 3, Zeilen 54 bis 66), bei v/elcher ein Schaltverstärker eingesetzt wird, der sich durch automatisches, stufenweises Reduzieren seiner Verstärkung immer so einstellt, daß er nicht übersteuert wird. Eine verzerrungsfreie Übertragung der Phaseninformation von WechselSpannungssignalen ist aber hierbei nur dann möglich, wenn der Verstärker im linearen Teil seiner Verstärkungskennlinie arbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen zur phasenunverfälschten Übertragung geeigneten Wechselspannungs-Verstärker hoher Dynamik zu schaffen, der ohne Verstärkungsstufenumschaltung auskommt und bei dem auf die Kennlinienlinearität nicht so genau zu achten ist. Gemäß der Erfindung ist die Lösung dieser Aufgabe gekennzeichnet durch die Hintereinanderschaltung einer Reihe von gleichartigen Verstärkerstufen, denen jeweils ein symmetrischer Begrenzer nachgeschaltet ist. Von wesentlicher Bedeutung ist, daß das Ausgangssignal jeder Verstärkerstufe nicht unsymmetrisch, sondern symmetrisch begrenzt wird, denn nur dann tritt keine Verschiebung der Symmetrieachse und damit der Nulldurchgänge des Wechselspannungssignals auf.

Die einzelnen Verstärkerstufen bestehen in vorteilhafter Weise aus jeweils einer gegengekoppelten Emitterbasis-Transistorver-' stärkerschaltung, in deren Ausgangskreis ein durch einen Be-

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7 Q -i ö O q / r ι-' Q /₄

dämpfungswiderstand stark bedampfter Resonanzkreis liegt, dessen Kapazität durch einen Trimmerkondensator gebildet wird, welcher parallel zu einem in sich antiparallel geschalteten, den Begrenzer darstellenden Dioderipaar liegt und der zum Impedanzabgleich dient, derart, daß der resultierende Resonanzkreiswiderstand kapazitiv ist. Mit Hilfe des Trimmerkondensators läßt sich das Phasenübertragungsverhalten einer Verstärkerstufe mit nachgeschaltetem Begrenzer in Abhängigkeit des Eingangspegels optimieren.

Die Verstärkerschaltung nach der Erfindung läßt sich auch bei einer Einrichtung zur Phasen- und Amplitudenmessung von pulsmodulierten Wechselspannungssignalen, insbesondere Hochfrequenzoder Zwischenfrequenz-Signalen, mit großen Pegelunterschieden einsetzen. Eine Weiterbildung der Erfindung im Zusammenhang mit der Amplitudenmessung besteht darin, daß am Eingang und nach fe dern der den einzelnen Verstärkerstufen nachgeschalteten Begrenzern das dort jeweils vorliegende Wechselspannungssignal belastungsfrei abgezeigt und jeweils 'einem Gleichrichter zugeführt wird und daß die gleichgerichteten Signale einem Summierer eingegeben werden, so daß am Ausgang des Summierers zumindest angenähert, eine dem Logarithmus der eingangsseitig den Verstärkerstufen zugeführten Wechselspannung entsprechende Ausgangsspannung ansteht. Durch diese Maßnahme wird die durch einen begrenzenden Verstärker an sich verloren gehende Amplitudeninformation wiedergewonnen. Die Übereinstimmung der Kennlinie mit einer Logarithmus-Charakteristik ist um so größer, je höher die Anzahl der Verstärkerstufen ist. Unter der Voraussetzung einer vorgegebenen, dem Dynamikbereich etwa entsprechenden Gesamtverstärkung kann die Anzahl der Verstärkerstufen mit jeweils nachgeschaltetem symmetri- sehen Begrenzer vorteilhaft dadurch erhöht werden, daß man die Verstärkung der einzelnen Verstärkerstufen reduziert und somit zusätzliche Stufen einführt. Dies verbessert auch noch zusätzlich den Phasenverlauf, weil dann die an den Begrenzerdioden maximal anliegende Spannung reduziert wird.

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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in einem Ortungssystem verwendeten ZwischenfiBquenzvirsfcäiksrTs im folgenden näher erläutert. Mit Hilfe eines Empfängervielfachs soll eine Richtungsbestimmung einfallender, pulsmodulierter Hochfrequenz-Signale ermöglicht werden. Zur Lösung dieses Problems sind Empfänger erforderlich, die einen zur genauen Phasen- und Amplitudenübertragung geeigneten Zwischenfrequenz-Verstärker für eine hohe Dynamik enthalten. Die am Ausgang der Zv/ischenfrequenz-Verstärker vorliegenden Phasen- und Amplitudeninforraationen werden zu einem an der Vorderflanke des pulsmodulierten Signals liegenden Zeitpunkt gemessen und als Datenmaterial an einen Rechner geliefert, der daraus die Richtung bestimmt, aus welcher das Hochfrequenz-Signal eingefallen ist. Der Zwischenfrequenz-Verstärker hat somit u.a. die Aufgabe, in einem solchen Empfänger die Phaseninformation des Eingangssignals in einem sehr weiten Dynamikbereich unverfälscht zu übertragen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung der Phasenverschiebung durch eine unsymmetrische Begrenzung, Fig. 2 das Blockschaltbild einer sogenannten Einheitsstufe, bestehend aus einer Verstärkerstufe und einem nachgeschalteten Begrenzer,

Fig., 3 das Blockschaltbild eines gesamten Zwischenfrequenz-Verstärkers mit Einheitsstufen nach Fig. 2,

Fig. 4 das Schaltbild einer Einheitsstufe nach Fig. 2 im einzelnen , und
Fig. 5 eine erweiterte Schaltung zur zusätzlichen Gewinnung der

Amplitudeninformation.
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Zunächst sei eine Verstärkerstufe betrachtet, die bei Ansteuerung mit einer kleinen Eingangsspannung eine unverzerrte, sinusförmige Ausgangsspannung liefert. Dies wird durch die Kurve a in Fig. 1 veranschaulicht. Erhöht man den Eingangspegel, so erreicht man -schließlich denjenigen Pegel bei dem der Verstärker die Ausgangs-

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-Λ -

spannung verzerrt (Bild 1, Kurve b). Dieser Pegel markiert das Ende des linearen Zusammenhangs zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung. Durch die in diesem Beispiel angenommene, einseitige Begrenzung des sinusförmigen Spannungsverlaufs wird eine Gleichspannung erzeugt, die als neue Bezugslinie zu betrachten ist.

Dadurch ergibt sich eine Verschiebung der Nulldurchgänge. Die Kurve a beginnt bei t = t , die Kurve b bei t = t,· Es entsteht also eine zeitliche Verschiebung von At = t, - t ; die entsprechende Phasenverschiebung ist dann: 6.ψ = —=— (t. - t ), wobei T die Periodendauer der Sinuskurve ist. Phasenverzerrungsfreie Übertragung von sinusförmigen Signalen ist also nur dann möglich, wenn der Verstärker im linearen Teil seiner Verstärkungskennlinie arbeitet, oder wenn das Ausgangssignal symmetrisch begrenzt wird, denn dann tritt keine Verschiebung der Symmetrieachse und damit der Nulldurchgänge auf.

Die symmetrische Begrenzung ist also eine Grundbedingung für den Begrenzer-Verstärker.

In Fig. 2 ist eine einzige Verstärkerstufe 1 mit einem nachgeschalteten Begrenzer 2 sowie einer Impedanzabgleichseinrichtung 3 in Blockschaltbildform dargestellt. Der Begrenzer 2 arbeitet symmetrisch. Kittels der Impedanzabgleichseinrichtung 3 wird der resultierende Resonanzkreiswiderstand des Verstärkers 1 unter Berücksichtigung der Schaltelemente des Begrenzers 3 so abgestimmt, daß er kapazitiv ist*

Fig. 3 zeigt in einem Blockschaltbild einen Zwischenfrequenz-Verstärker nach der Erfindung, mit dem die Amplitude des auf eine Zwischenfrequenz von 4 MHz umgesetzten Empfangssignals um 70 dB verstärkt v/ird. Ab einem bestimmten Eingangspegel wird das Signal symmetrisch begrenzt, wobei die Phaseninformation in einem großen Dynamikbereich unverfälscht übertragen wird. Es werden dazu vier .in Fig. 2 dargestellte Einheitsstufen 4, 5, 6 und 7 hintereinan-

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dergeschaltet, wobei jede einzelne Einheitsstufe eine Verstärker-" stufe mit einer Verstärkung von 17 dB aufweist, so daß sich insgesamt eine Gesamtverstärkung von etwa 70 dB ergibt. Ein am Eingang eingeschalteter Begrenzer 8 wirkt bei großen Eingangspegeln, während ein Verstärker 9 mit einer Verstärkung von etwa 6 dB eine Grundverstärkung liefert. Dem Verstärker 9 ist noch ein Emitterfolger 10 nachgeschaltet.

Das Schaltbild einer Einheitsstufe nach Fig. 2 im einzelnen zeigt Fig. 4. Die Verstärkerstufe wird durch eine gegengekoppelte Emitterbasis-Transistorverstärkerstufe gebildet. Die Eingangsspannung U_E wird an der Basis des gleichspannungsmäßig mit der Betriebsspannung 2 Ug betriebenen Transistors 11 angelegt. Im Ausgangskreis des Transistors 11 befinden sich eine Induktivität 12, ein Trimmerkondensator 13 und ein Widerstand 14, die zusammen einen stark gedämpften Resonanzkreis für die Mittenfrequenz von 4 FiHz bilden. Parallel zum Trimmerkondensator 13 liegen zwei gegensinnig geschaltete Dioden 15 und 16 zur Begrenzung der positiven und negativen Halbwellen. Der Trimmerkondensator 13 dient zum Iinpedanzabgleich. Der stark gedämpfte Parallelresonanzkreis, bestehend aus dem Widerstand 14, der Induktivität 12 und dem Trimmerkondensator 13, wird so abgestimmt, daß der resultierende Kreiswiderstand unter Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften der beiden Begrenzerdioden 15 und 16 kapazitiv ist. Damit läßt sich das Phasenüber- tragungsverhalten der Einheitsstufe irx Abhängigkeit des Eingangspegels optimieren. Hinter den als Quergliedern eingeschalteten Begrenzerdioden 15 und 16 wird die Ausgangsspannung U_& über einen Koppelkondensator 17 abgenommen.

Bei einem begrenzenden Verstärker geht jedoch die Amplituden-Information des Eingangssignals verloren. Diese kann aber dadurch wieder gewonnen werden, daß man die Schaltung zu einem logarithmischen Verstärker nach dem Prinzip der stufenweisen Gleichrichtung erweitert. Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild einer erweiterten Schaltung zur Gewinnung der Amplitudeninformation zusätzlich

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zur Phaseninformation. Das Zwischenfrequenz-Signal wird an fünf
Stellen der aus den vier Einheitsstufen 4, 5> 6 und 7 bestehenden Verstärkerkette möglichst belastungsfrei abgezweigt, zunächst in
Trennverstärkern 18, 19, 20, 21 und 22 verstärkt, dann jeweils in einem der Gleichrichter 23 bis 27 gleichgerichtet und schließlich einem Summierer 28 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Summierers 28 entspricht angenähert dem Logarithmus der Zwischenfrequenz-Eingangs spannung Ug. Die Übereinstimmung der Kennlinie mit einer
Logarithmus-Charakteristik ist umso größer, je höher die Zahl der Einheitsstufen istc Sie könnte beispielsweise dadurch erhöht werden, daß man die Verstärkung der Einheitsstufen reduziert und zusätzliche Stufen einführt. Dies würde auch den Phasenverlauf noch weiter verbessern, v/eil dann die an ά&η Begrenzerdioden maximal
anliegende Spannung reduziert wird.

6 Patentansprüche
5 Figuren

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Leerseite

Claims

26Ü627Ü Patentansprüche

1. Verstärkerschaltung zur unverfälschten Übertragung der Phaseninformation eines zugeführten Wechselspannungssignals über einen großen Dynainikbereich, gekennzeichnet durch die Hintereinanderschaltung einer Reihe von gleichartigen Verstärkerstufen (1), denen jeweils ein symmetrischer Begrenzer (2) nachgeschaltet ist,

2. Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Verstärkerstufen aus jeweils einer gegengekoppelten Emitterbasis-Transistorverstärkerschaltung bestehen, in deren Ausgangskreis ein durch einen Bedämpfungswiderstand (14) stark bedampfter Resonanzkreis liegt, dessen Kapazität durch einen Trimmerkondensator (13) gebildet v.'ird, der parallel zu einem in sich antiparallel geschalteten, den Begrenzer darstellenden Diodenpaar (15, 16) liegt und der zum Impedanzabgleich dient, derai^t, daß der resultierende Resonanzkreiswider stand kapazitiv ist,

3. Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Einrichtung zur Phasen- und Amplitudenmessung von pulsmodulierten Wechselspannungssignalen, insbesondere Hochfrequenz- oder Zwischenfrequenz-Signalen, mit großen Pegelunterschieden.

4. Verstärkerschaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß zur Amplitudenmessung am Eingang und nach jedem der den einzelnen Verstärkerstufen nachgeschalteten Begrenzern das an diesen Schaltungsstellen jeweils vorliegende Vechselspannungssignal belastungsfrei abgezweigt und jeweils einem Gleichrichter (23 bis 27) zugeführt wirdj daß die gleichgerichteten Signale einem Summierer (28) eingegeben werden und daß am Ausgang des Summierers (28) zumindest angenähert eine dem Logarithmus der eingangs-

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7'o 9 a ^ 3 / η s 3 4

sei tig den Verstärker stufen zugeführten Wechselspannung (U₁₅,) entsprechende Ausgangsspannung ansteht.

5. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorgegebenen, dem Dynamikbereich entsprechenden Gesamtverstärkung die Verstärkung jeder einzelnen der in Reihe geschalteten Verstarkerstufen verhältnismäßig klein und somit eine größere Anzahl von Stufen vorgesehen ist.

6. Verstärkerschaltung nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet , daß jedem der* Gleichrichter (23 bis 27) ein Trennverstärker (18 bis 22) vorgeschaltet ist,

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