DE10008316B4 - Begrenzerschaltung - Google Patents

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    • HELECTRICITY
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    • H03G11/00Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general
    • H03G11/002Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general without controlling loop

Abstract

Schaltungsanordnung zur frequenzabhängigen Begrenzung der Amplitude einer Eingangsspannung (Ui), wobei die Eingangsspannung (Ui) am nicht-invertierenden Eingang (P) eines Operationsverstärkers (O) gegen ein Bezugspotential anliegt, wobei der Operationsverstärker (O) in Gegenkopplung betrieben ist, wobei an dem invertierenden Eingang (N) des Operationsverstärkers (O) eine Parallelschaltung aus einem Kondensator (C5) und einem Widerstand (R5) gegen das Bezugspotential angeschlossen ist und wobei eine amplitudenbegrenzte Ausgangsspannung (Ua) am invertierenden Eingang (N) des Operationsverstärkers (O) abgreifbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur frequenzabhängigen Begrenzung der Amplitude einer Eingangsspannung.
  • Einfache Begrenzerschaltungen sind vielfach bekannt. Sie dienen zur Begrenzung der Amplitude eines Spannungssignals, beispielsweise um nachfolgende Bauelemente vor Übersteuerungen zu schützen. Ein solcher einfacher Begrenzer, der z. B. aus zwei anti-parallelen Dioden aufgebaut sein kann (siehe 1), erzeugt jedoch auch unterhalb der Begrenzerschwelle Klirrverzerrungen. Die Begrenzung erfolgt auch nur pegelabhängig, eine Frequenzabhängigkeit der Begrenzung ist nicht vorhanden. Die Begrenzerschwelle entspricht dabei der Spannungsamplitude, ab der die Begrenzerschaltung die Spannungsamplitude begrenzt. Außerdem weisen solche einfachen Begrenzerschaltungen eine starke Temperaturdrift der maximalen Ausgangsspannung auf.
  • Auch in der Praxis verwendete Regelschaltungen zur Begrenzung von Spannungsamplituden führen aufgrund ihrer Regelzeit zu unnötig langen Pegeleinbrüchen. Dadurch verschlechtert sich bei Einsatz einer solchen Regelschaltung in einem Übertragungssystem, beispielsweise in einem Audio-Übertragungssystem für drahtlose Mikrofonübertragung, die Übertragungsqualität deutlich hörbar, ins besondere weil bei drahtlosen Mikrofonen zusätzlich Rauschunterdrückungssysteme (Kompander) eingesetzt werden, die auf Pegelfehler äußerst empfindlich reagieren. Bei solchen bekannten Regelschaltungen muß die mittlere Aussteuerung deshalb ca. 25 dB unterhalb der Reglerschwelle liegen, damit keine hörbaren Fehler entstehen.
  • Als Stand der Technik ist eine Schaltung zur Begrenzung elektrischer Schwingungen bekannt, die einen in Gegenkopplung betriebenen Operationsverstärker aufweist. Hierzu wird auf die Druckschrift DE 21 45 913 B2 verwiesen.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich der genannten Nachteile verbesserte Begrenzerschaltung anzugeben, die sich insbesondere auch bei einer Sende- und/oder Empfängervorrichtung eines Audio-Übertragungssystems einsetzen läßt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 und durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sich die genannten Nachteile durch Verwendung eines Operationsverstärkers als Begrenzer umgehen lassen. Durch entsprechende Beschattung des Operationsverstärkers mit einer oder zwei Parallelschaltungen aus einem Kondensator und einem Widerstand läßt sich eine frequenzabhängige Einstellung der Begrenzerschwelle erreichen. Durch geeignete Dimensionierung der Kapazitäten und Widerstände läßt sich sowohl die Frequenz, ab der die Begrenzerschwelle verändert werden soll, als auch die Stärke der Begrenzung bzw. die Größe der Amplitude, ab der die Eingangsspannung begrenzt werden soll, einstellen. So läßt sich beispielsweise einstellen, daß bei hohen Frequenzen die Begrenzerschwelle ca. 3 dB niedriger ist als bei tiefen Frequenzen, wobei der Frequenzgang der Begrenzerschaltung unterhalb der Begrenzerschwelle jedoch vollkommen flach sein soll. Die erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen sind auch ungeregelt, so daß auch der Nachteil von Pegeleinbrüchen aufgrund zu langer Regelzeit bei bekannten Regelschaltungen zur Begrenzung behoben ist.
  • Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in einem Audio-Übertragungssystem läßt sich eine deutliche Klangverbesserung feststellen. Frequenzgang und Burstverhalten sind zum Teil über eine Größenordnung besser. Der Platz-, Kosten- und Strombedarf kann dabei außerdem reduziert werden. Ein vergrößerter Klirrfaktor innerhalb der Begrenzungszeit erweist sich dabei meßtechnisch zwar als Nachteil, in der Praxis wirkt sich dies jedoch nicht aus.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann vorteilhaft insbesondere bei einer Sende- und/oder Empfängervorrichtung, in einem drahtlosen Mikrofon mit einer Sendevorrichtung und in einem Übertragungssystem, vor allem für drahtlose Übertragung von Audiosignalen, eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine einfache bekannte Schaltungsanordnung,
  • 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
  • 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
  • Eine einfache und bekannte Begrenzerschaltung ist in 1 gezeigt. Ein Widerstand R ist dabei in Serie zu einer Parallelschaltung zweier anti-parallel geschalteter Dioden D1, D2 geschaltet. Die Amplitude der am Eingang gegen Masse (= Bezugspotential) anliegenden Eingangsspannung Ui wird durch diese Schaltung ab einer bestimmten Amplitudenhöhe (= Begrenzerschwelle) begrenzt. Die begrenzte Ausgangsspannung Ua wird dabei an der Parallelschaltung der Dioden D1, D2 abgegriffen. Aufgrund der logarithmischen Diodenkennlinien wird dabei ein weicher Begrenzungseinsatz erreicht, nachteilig sind jedoch Klirrverzerrungen auch unterhalb der maximalen Ausgangsspannung, starke Temperaturdrift der maximalen Ausgangsspannung und nur frequenzunabhängige Begrenzung der Ausgangsspannung.
  • Eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in 2 gezeigt, mit der sich die genannten Nachteile vermeiden lassen. Dazu wird ein mit einer positiven und einer negativen Betriebsspannung V1, V2 versorgter Operationsverstärker O in Gegenkopplung betrieben. Im Gegenkopplungspfad vom Ausgang A zum invertierenden Eingang N des Operationsverstärkers O ist ein Widerstand R3 sowie eine erste Parallelschaltung aus einem Widerstand R1 und einer Kapazität C1, die vom invertierenden Eingang N gegen Masse geschaltet sind, angeschlossen. Am Ausgang A ist weiter eine Serienschaltung aus einem Widerstand R4 und einer gegen Masse liegenden zweiten Parallelschaltung aus einem Widerstand R2 und einem Kondensator C2 angeschlossen. Am Mittenpunkt M dieser Serienschaltung wird die begrenzte Ausgangsspannung Ua gegen Masse abgegriffen, die Eingangsspannung Ui liegt am nicht-invertierenden Eingang P des Operationsverstärkers O gegen Masse an.
  • Unterhalb der Begrenzerschwelle arbeitet der Operationsverstärker O als Linearverstärker. Die Begrenzung wird erreicht, wenn die am Ausgang A des Operationsverstärkers O anliegende Spannung die Höhe der Betriebsspannung erreicht. Bei einem sogenannten Rail-to-Rail Operationsverstärker entspricht die maximale Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers genau der Betriebsspannung. Die beiden gezeigten Parallelschaltungen bzw. die Kondensatoren C1, C2 bewirken, daß die Begrenzerschwelle frequenzabhängig ist. Die erste Parallelschaltung (R1, C1) sorgt im gezeigten Fall für eine Anhebung hoher Frequenzen, das heißt, die Verstärkung des Operationsverstärkers O ist für hohe Frequenzen größer als für niedrige Frequenzen (Preemphase). Die zweite Parallelschaltung (R2, C2) fängt hohe Frequenzen und bei der Begrenzung entstehende Oberwellen wieder entsprechend ab (Deemphase).
  • Damit der Frequenzgang der Schaltungsanordnung unterhalb der Begrenzerschwelle linear bleibt, der Operationsverstärker O somit als Linearverstärker arbeitet, müssen die beiden Parallelschaltungen identische Zeitkonstanten aufweisen, wozu sie beispielsweise identisch dimensioniert werden können (R1 = R2 = R3 = R4, C1 = C2). Bevorzugt ist dazu einzuhalten, daß gilt: R1 × C1 = R2 × C2 = R3 × C1. Dann erfolgt auch die Absenkung hoher Frequenzen durch die zweite Parallelschaltung spiegelbildlich zur Anhebung hoher Frequenzen durch die erste Parallelschaltung.
  • Bei der gezeigten Schaltungsanordnung wird somit insgesamt eine stärkere Begrenzung der Amplitude der Eingangsspannung Ui bei höheren Frequenzen verglichen mit niedrigeren Frequenzen erreicht. Bezogen auf ein Audio-Übertragungssystem sind unter höheren Frequenzen Frequenzen oberhalb von etwa 8 kHz zu verstehen.
  • Nachteilig bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Toleranzempfindlichkeit der Schaltung. Damit der Frequenzgang der Schaltung flach ist, müßten die Elemente der Parallelschaltungen absolut identisch dimensioniert sein, was teure Kondensatoren C1, C2 erfordert. Dieser Nachteil kann mit der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 umgangen werden.
  • Bei dieser Schaltungsanordnung ist nur eine einzige Parallelschaltung aus einem Kondensator C5 und einem Widerstand R5 am invertierenden Eingang N des Operationsverstärkers O angeschlossen. Weiter befindet sich noch im Gegenkopplungspfad ein Widerstand R6. Die zweite am Ausgang A des Operationsverstärkers O angeschlossene Parallelschaltung (siehe 2) entfällt hier.
  • Der Kondensator C5 übernimmt hier gleichzeitig die Funktion der Preemphase und der Deemphase. Bei niedrigen Frequenzen wird die Eingangsspannung Ui linear verstärkt, während bei hohen Frequenzen die Verstärkung durch den Kondensator C5 vorgegeben ist. Die Ausgangsspannung Ua wird hierbei am invertierenden Eingang N gegen Masse abgegriffen. Die Ausgangsspannung Ua ist daher genau gleich der Eingangsspannung Ui am nicht-invertierenden Eingang P, solange der Operationsverstärker O im linearen Bereich arbeitet. Der Frequenzgang der Schaltung ist unterhalb des Begrenzungseinsatzes daher ideal flach. Im Fall der Übersteuerung der Begrenzerschaltung wird die am Ausgang A des Operationsverstärkers O anliegende Spannung gleich der Betriebsspannung. Die Ausgangsspannung Ua hat jedoch durch den Einsatz des Kondensators C5 deutlich geringeren Oberwellengehalt als ohne Kondensator. Da dieser eine Kondensator C5 eine Doppelfunktion hat, nämlich die Funktionen der in 2 gezeigten Kondensatoren C1 und C2, ist der Frequenzgang der Schaltung in jedem Fall toleranzfrei ideal flach.
  • Zur Erzielung eines eingeschränkten Arbeitsbereiches läßt sich auch problemlos ein Widerstand mit dem Kondensator C5 in Serie schalten, ohne dadurch den Frequenzgang zu beeinflussen. Auch mit der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung läßt sich eine frequenzabhängige Begrenzung der Eingangsspannung Ui erreichen, wobei höhere Frequenzen stärker begrenzt werden als niedrigere Frequenzen. Es sei noch erwähnt, daß die Widerstände und/oder Kondensatoren der gezeigten Schaltungsanordnungen auch durch komplexe Impedanzen ersetzt werden können.

Claims (11)

  1. Schaltungsanordnung zur frequenzabhängigen Begrenzung der Amplitude einer Eingangsspannung (Ui), wobei die Eingangsspannung (Ui) am nicht-invertierenden Eingang (P) eines Operationsverstärkers (O) gegen ein Bezugspotential anliegt, wobei der Operationsverstärker (O) in Gegenkopplung betrieben ist, wobei an dem invertierenden Eingang (N) des Operationsverstärkers (O) eine Parallelschaltung aus einem Kondensator (C5) und einem Widerstand (R5) gegen das Bezugspotential angeschlossen ist und wobei eine amplitudenbegrenzte Ausgangsspannung (Ua) am invertierenden Eingang (N) des Operationsverstärkers (O) abgreifbar ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie zu dem Kondensator (C5) ein Widerstand geschaltet ist.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände und/oder Kondensatoren durch komplexe Impedanzen ersetzt sind.
  4. Schaltungsanordnung zur frequenzabhängigen Begrenzung der Amplitude einer Eingangsspannung (Ui), wobei die Eingangsspannung (Ui) am nicht-invertierenden Eingang (P) eines Operationsverstärkers (O) gegen ein Bezugspotential anliegt, wobei der Operationsverstärker (O) in Gegenkopplung betrieben ist, wobei an dem invertierenden Eingang (N) des Operationsverstärkers (O) eine erste Parallelschaltung aus einem Kondensator (C1) und einem Widerstand (R1) gegen das Bezugspotential angeschlossen ist, wobei am Ausgang (A) des Operationsverstärkers (O) eine zweite Parallelschaltung aus einem Kondensator (C2) und einem Widerstand (R2) gegen das Bezugspotential angeschlossen ist und wobei eine amplitudenbegrenzte Ausgangsspannung (Ua) am Ausgang (A) des Operationsverstärkers (O) abgreifbar ist.
  5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (C1, C2) und die Widerstände (R1, R2) der Parallelschaltungen gleich ausgelegt sind.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltungen gleiche Zeitkonstanten aufweisen.
  7. Sendevorrichtung mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Empfängervorrichtung mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  9. Audio-Kompandersystem mit einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  10. Drahtloses Mikrofon mit einer Sendevorrichtung nach Anspruch 7.
  11. Übertragungssystem, insbesondere für drahtlose Übertragung von Audiosignalen, mit einer Sendevorrichtung nach Anspruch 7 und/oder mit einer Empfängervorrichtung nach Anspruch 8.
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