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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur frequenzabhängigen Begrenzung
der Amplitude einer Eingangsspannung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch
1 und durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
einfache bekannte Schaltungsanordnung,
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2 eine
erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.