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Querverweis
zu verwandten Anmeldungen
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Die
vorliegende Anmeldung ist verwandt mit der gleichzeitig eingereichten,
mitanhängigen
und gemeinschaftlich übertragenen
U.S.-Patentanmeldung Nr. XX/XXX,XXX, Anwaltsaktenzeichen 10060051-1
mit dem Titel „Electronic
Microcircuit Having Internal Light Enhancement", deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme
aufgenommen ist.
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Beschreibung
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Stufendämpfungsglieder
sind in Signalquellen, Netzwerkanalysatoren, Multifunktionstestern
und anderen Instrumenten und Systemen enthalten. Bei einem typischen
Instrument ist ein Stufendämpfungsbauglied
außerhalb
der Rückkopplungsschleife
eines ALC-Systems (ALC = automatic level control = Automatische
Pegelsteuerung) enthalten. Das Stufendämpfungsbauglied stellt die
Amplitude der elektrischen Signale in einzelnen Dämpfungsschritten
ein, während
das ALC-System stufenlose oder feine Steuerung der Amplitude der
Signale liefert.
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Bei
einem Typ von Stufendämpfungsbaugliedern
werden Dämpfungsschaltungen
mechanisch ausgewählt
oder geschaltet. Dieser Typ von Stufendämpfungsbauglied kann hohe Leistungssignale
aufnehmen, ohne den Signalen, die an das Stufendämpfungsbauglied angelegt werden,
eine Verzerrung hinzuzufügen.
Diese mechanisch geschalteten Stufendämpfungsbauglieder haben jedoch
den Nachteil großer
physikalischer Größe und geringer
Schaltgeschwindigkeiten.
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Bei
einem anderen Stufendämpfungsgliedtyp
werden die Dämpfungsschaltungen
unter Verwendung von PIN-Dioden elektronisch geschaltet. Dieser
Stufendämpfungsgliedtyp
ist physi kalisch kompakt und kann hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichen.
Diese PIN-geschalteten Stufendämpfungsbauglieder
fügen jedoch
den angelegten Signalen, die niedrige Frequenzen aufweisen, beispielsweise Frequenzen,
die unter etwa 1 MHz liegen, Verzerrungen hinzu.
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Bei
einem IC-Stufendämpfungsbauglied
(IC = Integrierte-Schaltung)
werden Dämpfungsschaltungen
implementiert und geschaltet unter Verwendung von Feldeffekttransistoren
(FETs). Diese IC-Stufendämpfungsbauglieder
sind physikalisch kompakt und haben eine hohe Schaltgeschwindigkeit.
Bei niedrigen Leistungspegeln haben die IC-Stufendämpfungsglieder eine geringe
Verzerrung über einen
großen
Frequenzbereich. Die IC-Stufendämpfungsbauglieder
haben jedoch den Nachteil, dass sie in angelegte Signale, die hohe
Leistungspegel aufweisen, hohe Verzerrungspegel einführen, aufgrund der
inhärenten
Nichtlinearitäten
der FETs in den IC-Stufendämpfungsgliedern.
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Folglich
gibt einen Bedarf an einem Stufendämpfungsglied, das die hohe
Schaltgeschwindigkeit, die physikalische Kompaktheit und den weiten Betriebsfrequenzbereich
des FET-geschalteten
Stufendämpfungsglieds
aufweist, mit den Vorteilen einer niedrigen Verzerrung und der Aufnahme
hoher Leistungssignale, die durch das mechanisch geschaltete Stufendämpfungsglied
geliefert werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Doppelwegdämpfungssystem
mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Doppelwegdämpfungssystem gemäß Anspruch
1 und 12 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Beispiel eines Doppelwegdämpfungssystems
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung.
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2 ein
Beispiel eines Doppelsignalwegdämpfungsglieds,
das in dem Doppelwegdämpfungssystem
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung enthalten ist;
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3 ein
Beispiel einer Schaltungsplatine, die das Doppelwegdämpfungssystem
gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung umfasst.
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1 zeigt
ein Beispiel eines Doppelwegdämpfungssystems 10 gemäß Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung, das ein ALC-System 12 (ALC
= Automatische Pegelsteuerung) und ein Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 umfasst.
Das Doppelwegdämpfungssystem 10 liefert eine
Einstellung der Amplitude eines angelegten Eingangssignals 11 und
liefert ein Ausgangssignal 13 mit eingestellter Amplitude
(amplitude-leveled) an einem Ausgangstor 15 des Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14.
Bei diesem Beispiel wird das angelegte Eingangssignal 11 an
das Doppelwegdämpfungssystem 10 durch
eine Signalquelle 16 geliefert, die jeden Typ von Netzwerk,
Schaltung, Vorrichtung, Element oder System umfasst, das zum Erzeugen oder
anderweitigen Liefern von elektrischen Signalen geeignet ist.
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Das
U.S.-Patent 4,263,560 und das U.S.-Patent 5,661,442 offenbaren zwei
Beispiele der vielen Typen von ALC-Systemen 12, die für die Aufnahme in
dem Doppelwegdämpfungssystem 10 geeignet sind.
Das ALC-System 12, das in 1 gezeigt
ist, umfasst ein Signalkopplungselement 18, einen Pegeldetektor 20,
eine Pegelsteuerschaltungsanordnung 22 und ein variables
Dämpfungsglied 24,
die eine Rückkopplungssteuerschleife
bilden. Das Signalkopplungselement 18 umfasst ein verteiltes
Kopplungselement, einen Leistungsteiler, eine Widerstandsbrücke oder
eine andere Schaltung oder ein anderes System, das zum Koppeln eines
Teils eines Signals 17, das an das Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 geliefert
wird, mit dem Pegeldetektor 20 geeignet ist. Der Pegeldetektor 20 umfasst
typischerweise eine Detektordiode, einen Leistungssensor, oder eine
andere Vorrichtung, ein anderes Element oder System, das zum Liefern
eines erfassten Signals 19, das der Amplitude des Signals 17 entspricht, geeignet
ist. Die Amplitude kann dargestellt werden durch die Größe, der
Spannung, den Strom oder die Leistung des Signals 17, oder
jede andere geeignete Anzeige des Pegels des Signals 17.
Das variable Dämpfungsglied 24 in
dem ALC-System 12 umfasst ein
PIN-Diodendämpfungsglied,
ein FET-Dämpfungsglied,
einen Regelverstärker
oder jede andere Vorrichtung, jedes andere Element oder System,
das zum Einstellen der Amplitude des angelegten Eingangssignals 11 ansprechend
auf ein Steuersignal 21 geeignet ist, das durch die Pegelsteuerschaltungsanordnung 22 geliefert
wird.
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In
einem symmetrischen Betriebszustand des ALC-Systems 12 entspricht
das erfasste Signal 19, das durch den Pegeldetektor 20 geliefert
wird, der Amplitude des Signals 17, das an den Eingang
des Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 angelegt
wird. Die Pegelsteuerschaltungsanordnung 22 empfängt das
erfasste Signal 19, vergleicht das erfasste Signal 19 mit
einem Referenzsignal REF und erzeugt ein Fehlersignal e basierend
auf dem Vergleich. Das Fehlersignal e wird dann konditioniert, um
das Steuersignal 21 zu liefern, dass das variable Dämpfungsglied 25 treibt.
Das ALC-System 12 hat ausreichend Gewinn, um die Pegelsteuerschaltungsanordnung 22 zu
aktivieren, um die Dämpfung
des variablen Dämpfungsglieds 24 einzustellen,
um das Fehlersignal e zu minimieren. Das Minimieren des Fehlersignals
e stellt die Amplitude des Signals 17 ein und ermöglicht es, dass
die Amplitude des Signals 17 gemäß Einstellung des Referenzsignals
RF eingestellt wird.
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In
einem symmetrischen Betriebszustand liefert das ALC-System 12 eine
Feineinstellung der Amplitude des Signals 17. Die Feinamplitudeneinstellung
ist typischerweise stufenlos innerhalb der Auflösung des DAC 26 oder
anderen Vorrichtung oder System, das verwendet wird, um das Referenzsignal REF
in der Pegelsteuerschaltungsanordnung 22 des AlC-Systems 12 einzustellen.
Das Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 empfängt das
Signal 17 und liefert eine abgestufte Dämpfung der Amplitude des Ausgangssignals 13,
zusätzlich
zu der Feinstellung der Amplitude, die durch das ALC-System 12 geliefert
wird. Die kombinierte Feineinstellung und abgestufte Dämpfung der
Amplitude des Ausgangssignals 13 ermöglicht es, dass die Amplitude
des Ausgangssignals 13 über
einen weiten Einstellungsbereich stufenlos eingestellt wird.
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Das
ALC-System 12 kann typischerweise auch in einem Offene-Schleife-Zustand
arbeiten, wobei das Signal 17 keine eingestellte Amplitude
aufweist, oder die Amplitude außerhalb
eingestellt ist, wobei ein Signalkopplungselement und ein Pegeldetektor
außerhalb
denjenigen des in 1 gezeigten ALC-Systems 12 in
dem Doppelwegdämpfungssystem 10 enthalten
sind, um eine Rückkopplungsschleife
zu bilden.
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Das
Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 (in 2 gezeigt)
umfasst einen Durchgangssignalweg 30, einen Dämpfungssignalweg 32 und
einen Eingangsschalter S1 und einen Ausgangsschalter S2, die abwechselnd
den Durchgangssignalweg 30 und den Dämpfungssignalweg 32 zwischen
dem Eingang des Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 und
dem Ausgangstor 15 koppeln. Der Eingangsschalter S1 und
der Ausgangsschalter S2 in dem Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 sind
nicht abgeschlossen, d. h. der Eingangsschalter S1 und der Ausgangsschalter
S2 liefern keinen angepassten Abschluss der Schaltwege, die nicht
ausgewählt
sind.
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Bei
dem in 2 gezeigten Beispiel des Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 ist
das Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 in
drei kaskadierten Stufen 34a, 34b, 34c implementiert,
um einen Dämpfungseinstellbereich
von 130 dB in 5-dB- Dämpfungsschritten
zu erreichen. Die erste Stufe 34a umfasst den Eingangsschalter
S1 als einen einpoligen Umschalter, der unter Verwendung von FET-Schaltern implementiert
ist. An der ersten Stufe 34a umfasst der Dämpfungssignalweg 32 zwei
kaskadierte Integrierter-Chip-(IC-) Stufendämpfungsglieder 36a, 38a. Das
IC-Stufendämpfungsglied 36a liefert 5-dB-Dämpfungsschritte,
um alternativ eine Dämpfung
von 0 dB, 5 dB, 10 dB und 15 dB zu erreichen. Das IC-Stufendämpfungsglied 38a liefert
einen 40-dB-Dämfpungsschritt,
um alternativ die Dämpfung
von 0 dB und 40 dB zu erreichen. Die Kombination der IC-Stufendämpfungsglieder 36a, 38a versieht
die erste Stufe des Dämpfungssignalwegs 32 mit
einem Dämpfungseinstellbereich
von 55 dB. In der zweiten Stufe umfasst der Dämpfungssignalweg 32 ein
IC-Stufendämpfungsglied 36b.
Das IC-Stufendämpfungsglied 36b liefert
einen 20-dB-Dämpfungsschritt,
um alternativ eine Dämpfung
von 0 dB und 20 dB zu erreichen, um einen Dämpfungseinstellbereich von
20 dB zu erreichen. Die dritte Stufe 34c umfasst den Ausgangsschalter
S2 als einen einpoligen Umschalter (SPDT), implementiert unter Verwendung von
FET-Schaltern. In der dritten Stufe 34c umfasst der Dämpfungssignalweg 32 auch
zwei kaskadierte Integrierter-Chip-(IC-) Stufendämpfungsglieder 36c, 38c.
Das IC-Stufendämpfungsbauglied 36c liefert 5-dB-Dämpfungsschritte,
um alternativ eine Dämpfung
von 0 dB, 5 dB, 10 dB und 15 dB zu erreichen. Das IC-Stufendämpfungsglied 38c liefert
einen 40-dB-Dämfpungsschritt,
um alternativ eine Dämpfung
von 0 dB und 40 dB zu erreichen. Die Kombination der IC-Stufendämpfungsglieder 36c, 38c liefert die
dritte Stufe des Dämpfungssignalwegs 32 mit
einem Dämpfungseinstellbereich
von 55 dB. Der Vektorsignal-Generator von Agilent Technologies,
Inc., Modell E4438C-ESG, umfasst IC-Stufendämpfungsglieder, die für die Aufnahme
des Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 in
dem Dämpfungssignalweg 32 geeignet
sind.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des Doppelwegdämpfungssystems 10 ist
jede der kaskadierten Stufen 34a, 34b, 34c in einem
entsprechenden Laminat- oder Keramikgehäuse 40a, 40b, 40c untergebracht.
Die Gehäuse 40a, 40b, 40c sind
geeignet zum Befestigen auf einem Substrat 42 unter Verwendung
von Oberflächenbefestigungstechnologie
(SMT) oder Gedruckte-Schaltungsplatine-(PCB-) Technologie.
Gemäß alternativen
Ausführungsbeispielen
des Doppelwegdämpfungssystems 10 ist
das Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 in
einem abgeschirmten Mikroschaltungsgehäuse oder einem anderen geeigneten
Gehäuse
untergebracht. Die drei kaskadierten Stufen 34a, 34b, 34c,
die in den Gehäusen 40a, 40b, 40c in
dem Doppelsignalwegdämpfungsglied 14 untergebracht
sind, das in 2 gezeigt ist, liefern ausreichend
Signalisolation, um den 130dB-Stufendämpfungseinstellbereich zu liefern. Bei
alternativen Beispielen des Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 kann
die Anzahl von kaskadierten Stufen, der Dämpfungseinstellbereich, der
in jeder der Stufen erreicht wird, die Größe der Dämpfungsschritte und der Gesamtdämpfungseinstellbereiche
alternative Bestimmungen haben, basierend auf den Leistungsparametern
des Systems oder Instruments, in dem das Doppelwegdämpfungssystem 10 enthalten
ist.
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Bei
dem Beispiel des in 2 gezeigten Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 sind
die IC-Stufendämpfungsglieder
und die enthaltenen Eingangsschalter S1 und Ausgangsschalter S2
implementiert unter Verwendung von integrierten GaAs-Schaltungen, die
durch eine oder mehrere LEDs 52 beleuchtet sind. Die einen
oder die mehreren LEDs 52 verhindern langsame Ausläufe oder
andere Schaltübergänge während Übergängen zwischen
Dämpfungszuständen in
dem Dämpfungssignalweg 32 des
Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14,
die Gate-Verzögerungseffekten
in GaAs-FETs zugeordnet sind. Typischerweise beleuchten die LEDs 52 die
IC-Stufendämpfungsglieder
direkt. Alternativ wird das Licht von den LEDs 52 von dem
Deckel der Keramikgehäuse
reflektiert, oder unter Verwendung von Linsen zu den IC-Stufendämpfungsgliedern
gerichtet. Bei einem Beispiel sind drei hochintensive Oberflächenbefestigungs-LEDs 52 in
jedem der Gehäuse 40a, 40b, 40c enthalten,
um dem Doppelsignalwegdämpfungs glied 14 eine
Schaltzeit zwischen Dämpfungsschritten
zu liefern, die kürzer
ist als 15 Mikrosekunden, und eine Schaltzeit zwischen dem Durchgangssignalweg 30 und
dem Dämpfungssignalweg 32,
die ebenfalls kürzer
ist als 15 Mikrosekunden.
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Der
Durchgangssignalweg 30 und der Dämpfungssignalweg 32 des
Doppelsignalwegdämpfungsglieds 14 werden
alternativ unter der Steuerung eines Prozessors 50 (in 1 gezeigt) über den
Eingangsschalter S1 und den Ausgangsschalter S2 ausgewählt. Der
Prozessor 50 steuert auch die Amplitude des Ausgangssignals 13 über dem
DAW 26 in der Pegelsteuerschaltungsanordnung 22,
und die IC-Stufendämpfungsglieder
in dem Dämpfungssignalweg 32.
Typischerweise wird der Durchgangssignalweg 30 ausgewählt, wenn
das Ausgangssignal 13 eingestellt, spezifiziert und anderweitig
bestimmt wird, um eine Amplitude zu haben, die über einem bestimmten Schwellenwert
liegt. Der Dämpfungssignalweg 32 wird
ausgewählt,
wenn das Ausgangssignal 13 eingestellt, spezifiziert oder anderweitig
bestimmt wird, um eine Amplitude zu haben, die unter dem Schwellenwert
liegt. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
des Doppelwegdämpfungssystems 10 wird
der Schwellenwert bestimmt basierend auf dem Unterschied zwischen
dem Amplitudeneinstellbereich des ALC-Systems 12 und der minimalen
Dämpfungsgröße, die
durch den Dämpfungsweg 32 erreicht
werden kann. Wenn beispielsweise das ALC-System 12 einen
15-dB-Einstellbereich liefert, und die minimale Dämpfungsschrittgröße 5 dB
ist, ist der Schwellenwert bestimmt, so dass der Durchgangssignalweg 30 ausgewählt wird,
wenn das Ausgangssignal 13 innerhalb der oberen 10 dB des
Leistungsbereichs des Ausgangssignals 13 liegt, und der
Dämpfungssignalweg 32 ausgewählt wird, wenn
das Ausgangssignal 13 unter 10 dB von dem oberen Leistungsbereichs
des Leistungssignals 13 liegt.
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Der
Schwellenwert kann frequenzabhängig sein,
um die Frequenzabhängigkeit
des Einfügungsverlusts
des Signalwegs zwischen dem Signalkopplungselement 18 und
dem Ausgangstor 15 aufzunehmen, oder für die Abhängigkeit des Einstellbereichs des
ALC-Systems 12 von der Frequenz des Ausgangssignals 13.
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Der
Schwellenwert kann auch bestimmt werden basierend auf den Verzerrungsanforderungen
für das
Ausgangssignal 13. Der Durchgangssignalweg 30 kann
beispielsweise ausgewählt
werden, wenn das Ausgangssignal 13 ausreichend hohe Leistung hat,
um einen unannehmbaren Verzerrungspegel in den Dämpfungssignalweg 32 einzuführen.
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Obwohl
die Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung näher
dargestellt wurden, sollte klar sein, dass Modifikationen und Anpassungen
dieser Ausführungsbeispiele
für Fachleute
auf diesem Gebiet klar sein können,
ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
wie er in den folgenden Ansprüchen
beschrieben ist.