DE102014104109B4

DE102014104109B4 - Anordnung und Verfahren zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe

Info

Publication number: DE102014104109B4
Application number: DE102014104109.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Schulze; Robert Wolf
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2034-03-26
Also published as: DE102014104109A1

Abstract

Anordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe, wobei Nichtlinearitäten durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion der Baugruppe entstehen, wobei die Übertragungsfunktion eine mathematische Beziehung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal beschreibt, wobei die Anordnung (1) einen Eingang xin (3) zum Anlegen eines Eingangssignals, einen mit diesem Eingang zumindest mittelbar verbundenen Signalpfad mit einer linearen Übertragungsfunktion (2) sowie eine nachgeschaltete nichtlineare Baugruppe (4) mit einem Ausgang xout (5) zur Ausgabe eines Ausgangssignals umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Rückkopplungseinheit (6) aufweist, welche einen positiven Rückkopplungspfad mit einer linearen Übertragungsfunktion (7) und einen negativen Rückkopplungspfad (8), der ein zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenes Signal zur Verfügung stellt, umfasst, wobei ein Ausgang des positiven Rückkopplungspfads (7) mit einem ersten nichtinvertierenden Eingang und ein Ausgang des negativen Rückkopplungspfads (8) mit einem zweiten invertierenden Eingang einer ersten Summationsanordnung (9) zumindest mittelbar verbunden sind, dass ein dritter Eingang der ersten Summationsanordnung (9) mit dem Eingang xin (3) verbunden ist und dass ein Ausgang der ersten Summationsanordnung (9) mit einem Eingang des Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion (2) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe, wobei Nichtlinearitäten durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion der Baugruppe entstehen, wobei die Übertragungsfunktion eine mathematische Beziehung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal beschreibt, wobei die Anordnung einen Eingang x_in zum Anlegen eines Eingangssignals, einen mit diesem Eingang zumindest mittelbar verbundenen Signalpfad mit einer linearen Übertragungsfunktion sowie eine nachgeschaltete nichtlineare Baugruppe mit einem Ausgang x_out zur Ausgabe eines Ausgangssignals umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Linearisierung einer Übertragungsfunktion einer Baugruppe, wobei Nichtlinearitäten durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion der Baugruppe entstehen, wobei die Übertragungsfunktion eine mathematische Beziehung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal beschreibt und wobei ein Kompensationssignal gebildet und auf das Eingangssignal zurückgekoppelt wird.
Baugruppen oder Komponenten mit einem gekrümmten, nicht linearen Kennlinienverlauf, welcher das Verhältnis einer Eingangsgröße der Komponente zu einer mittels dieser Komponente erzeugten Ausgangsgröße beschreibt, verursachen sogenannte nichtlineare Verzerrungen. In dem mittels dieser Komponente erzeugten Ausgangssignal lassen sich Frequenzen nachweisen, die im Eingangssignal nicht vorhanden waren. Diese meist unerwünschten Verzerrungen treten unter anderem bei elektronischen Baugruppen auf. Eine Beschränkung auf elektronischen Baugruppen ist aber in dieser Beschreibung nicht gegeben, so können Baugruppen auch optische, mechanische, magnetische, hydraulische, pneumatische oder Baugruppen jeglicher Art sein.
Insbesondere Verstärkerbaugruppen mit aktiven Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise bipolare Transistoren, Feldeffekttransistoren und Elektronenröhren weisen derartige gekrümmte Steuerkennlinien auf. Daher werden Signale mit größeren Eingangsamplituden auch bei einem optimal berechneten Arbeitspunkt nicht mehr symmetrisch verstärkt. Dies bewirkt beispielsweise, dass das Ausgangssignal nach einer Halbwelle hin stärker verzerrt ist. Auch eine symmetrische Verzerrung beider Halbwellen hat die Erzeugung von vorher nicht vorhandenen und meist nicht erwünschten Frequenzen zur Folge.
Komponenten im Sinne dieser Beschreibung sind beispielsweise Transistoren, Transistorstufen, Verstärkerschaltungen, insbesondere Hochfrequenz-Verstärkerschaltungen, und andere.
Auch andere Komponenten mit gekrümmten Kennlinien, wie Transformatoren, Tonköpfe und Magnetspeicher, Dioden und VDR-Widerstände, bewirken eine Signalverzerrung, welche als nichtlineare Verzerrung bezeichnet wird.
Zur Verbesserung der Signalqualität ist es daher notwendig, Maßnahmen zur Beseitigung oder Vermeidung derartiger Signalveränderungen zu ergreifen.
Inhalt der vorliegenden Beschreibung ist auch die Erzeugung einer Umkehrfunktion einer nichtlinearen signalabhängigen Transferfunktion. Diese wird eingesetzt um im Gesamtsystem mit dem Element, das die nichtlineare signalabhängige Transferfunktion aufweist, eine lineare Übertragungsfunktion zu erzeugen.
Zur Linearisierung der Verstärkungskennlinie, beispielsweise in einer Hochfrequenz-Verstärkerstufe, werden üblicherweise die nachfolgend beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik eingesetzt:
Feedback-Verfahren:
Bei diesem Verfahren wird ein Teil des Ausgangssignals negativ an den Eingang zurückgeführt, wodurch Nichtlinearitäten zumindest teilweise gedämpft werden.
Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass Feedback-Systeme das Ausgangssignal belasten und somit unter Umständen zu einer geringeren Effizienz führen. Des Weiteren ist es mit einem konventionellen Feedback-System nicht möglich, einen Verstärker vollständig zu linearisieren, ohne die Verstärkung des Gesamtsystems auf nicht mehr sinnvolle Werte sinken zu lassen. Somit ist das Verfahren für den Einsatz im Bereich der Leistungsverstärkung nur bedingt geeignet.
Signalvorverzerrung:
Bevor das Signal einem Leistungsverstärker zugeführt wird, wird es durch eine geeignete vorgeschaltete Anordnung derart verzerrt, dass sich die Verzerrung mit der Nichtlinearität des Leistungsverstärkers möglichst ausgleicht.
Ein Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass bei der Nachbildung der Umkehrfunktion mit analogen Blöcken im Normalfall nur möglich ist, eine Näherung der Umkehrfunktion 2. oder 3. Ordnung zu erzeugen. Gemeinsam mit der digitalen Vorverzerrung ist der Nachteil, dass die Transferfunktion der Leistungsstufe sehr genau bekannt sein muss, was aufgrund von Prozessvariationen im Allgemeinen nicht der Fall ist. Temperaturbedingte oder andere dynamische Variationen der Transferfunktion, beispielsweise durch eine Veränderung der Betriebsspannung, führen zu zusätzlichen Abweichungen. An eine alterungsbedingte schleichende Veränderung von Parametern der Bauelemente kann eine Anpassung nur durch sehr aufwändige Selbstkalibrierungen erfolgen.
Feedforward-Systeme:
Die Differenz zwischen dem gewünschten Signal und dem erzeugten Ausgangssignal der Leistungsstufe wird mit einem zweiten Verstärker erzeugt. Am Ausgang des Systems werden beide Signale addiert.
Bei dieser Lösung besteht ein Nachteil insbesondere darin, dass die Implementierung eines Feedforward-Systems sehr aufwendig in Bezug auf die Schaltung ist. Außerdem besteht ein erhöhter Energieverbrauch, da der zweite Verstärker in etwa die gleiche Leistungsklasse aufweisen muss wie der Hauptverstärker. Da diese Lösung zur Linearisierung auf einer Vorsteuerung beruht, kann es durch dynamische Effekte oder Langzeitänderungen ebenfalls zu Ungenauigkeiten kommen.
Zur Erzeugung einer Umkehrfunktion einer nichtlinearen Transferfunktion sind nachfolgende Methoden aus dem Stand der Technik bekannt:
Die Transferfunktion wird charakterisiert und eine Umkehrfunktion mit analogen Blöcken oder digitaler Parametrisierung näherungsweise nachgebildet.
Wie bereits beschrieben, ist bei der Nachbildung der Umkehrfunktion mit analogen Blöcken meist nur eine Näherung 2. oder 3. Ordnung erreichbar. Auch bei der digitalen Parametrisierung treten die bereits beschriebenen Nachteile auf, dass die Transferfunktion der Leistungsstufe sehr genau bekannt sein muss, temperaturbedingte oder andere dynamische Variationen der Transferfunktion zu zusätzlichen Abweichungen führen und eine Anpassung an alterungsbedingte Veränderungen von Parametern der Bauelemente nur mit hohem Aufwand erfolgen kann.
Alternativ kann ein Operationsverstärker mit möglichst großer Verstärkung und möglichst großem Eingangswiderstand im Vorwärtspfad mit einem nichtlinearen signalabhängigen Bauelement im negativen Rückkoppelpfad eingesetzt werden.
Der Nachteil dieser Umsetzung besteht insbesondere darin, dass zur exakten Erzeugung einer Umkehrfunktion ein Operationsverstärker mit nicht realisierbaren Eigenschaften, d. h. einer unendlich hohen Verstärkung und einer unendlich großen Eingangsimpedanz, benötigt wird. Dadurch entstehen bei einer realen Umsetzung in bestimmten Aussteuerungsbereichen große Abweichungen. Die Realisierung eines Operationsverstärkers mit näherungsweise idealen Eigenschaften ist sehr aufwendig und seine Leistungsaufnahme problematisch in energiekritischen Systemen. Die Verwendung eines Operationsverstärkers ist aufgrund dessen Bandbreitenlimitierung nicht in einem Hochfrequenzpfad möglich.
Aus der DE 2903016 A1 ist ein mehrstufiger rückgekoppelter Verstärker zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe mit einem Rückkopplungssystem, bei welchem eine nichtlineare Verzerrung auf äußerst geringe Pegel reduziert wird, bekannt. Insbesondere wird eine elektronisch gegengekoppelter Verstärker beschrieben, wobei Nichtlinearitäten durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion der Baugruppe entstehen, wobei die Übertragungsfunktion eine mathematische Beziehung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal beschreibt.
Die Anordnung umfasst einen Eingang zum Anlegen eines Eingangssignals, einen mit diesem Eingang zumindest mittelbar verbundenen Signalpfad mit einer linearen Übertragungsfunktion, sowie eine nachgeschaltete nichtlineare Baugruppe mit einem Ausgang zur Ausgabe eines Ausgangssignales.
Die Anordnung umfasst eine Rückkopplungseinheit mit einer Schachtelung von ineinander angeordneten Rückkopplungsschleifen mit einem Rückkopplungspfad mit einer linearen Übertragungsfunktion und einem Rückkopplungspfad, der ein zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenes Signal zur Verfügung stellt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine zugehörige Schaltungsanordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe, hervorgerufen durch deren nichtlineare Kennlinien, zu schaffen, wobei sowohl der schaltungstechnische Aufwand als auch der Energieverbrauch verringert wird. Weiterhin soll ein Einsatz im Bereich der Hochfrequenzverstärkung ermöglicht werden.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Anordnung eine Rückkopplungseinheit aufweist, welche einen positiven Rückkopplungspfad mit einer linearen Übertragungsunktion und einen negativen Rückkopplungspfad, der ein zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenes Signal zur Verfügung stellt, umfasst, wobei ein Ausgang des positiven Rückkopplungspfades mit einem ersten nichtinvertierenden Eingang und ein Ausgang des negativen Rückkopplungspfades mit einem zweiten invertierenden Eingang einer ersten Summationsanordnung zumindest mittelbar verbunden sind, dass ein dritter Eingang der ersten Summationsanordnung mit dem Eingang x_in verbunden ist und dass ein Ausgang der ersten Summationsanordnung mit dem Eingang des Signalpfades mit linearer Übertragungsfunktion verbunden ist.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche 2 bis 6 und 8 bis 14 aufgeführt.
Die zu linearisierende Baugruppe kann beispielsweise eine elektronische Baugruppe wie ein Leistungsverstärker sein, insbesondere ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker. Die Übertragungsfunktion dieses Leistungsverstärkers weist die zu kompensierenden Nichtlinearitäten auf. Der der nichtlinearen Baugruppe, in diesem Fall also dem Leistungsverstärker, vorausgehende lineare Signalpfad kann beispielsweise ein Treiber oder in einem anderen Anwendungsfall auch eine Zuleitung sein.
Der in dieser Beschreibung genutzte Begriff des linearen Signalpfades kann auch lediglich als eine Verbindung zwischen zwei Punkten aufgefasst werden.
Im Folgenden wird der Signalpfad vom Eingang des linearen Pfades (z. B. Treiber) über die nichtlineare Baugruppe (z. B. Leistungsverstärker) zum Ausgang x_out als Vorwärtszweig, der Signalpfad vom Eingang x_in über ein Summationsmittel und über den Vorwärtszweig zum Ausgang x_out als Gesamtvorwärtszweig und ein Pfad von einem Punkt im Vorwärtszweig zurück zum Summationsmittel als Rückwärtszweig bezeichnet.
Die Linearisierung der Übertragungsfunktion der Gesamtbaugruppe wird dadurch erreicht, dass das Eingangssignal mit einem Kompensationssignal summiert wird, das zur Folge hat, dass das Signal am Eingang der nichtlinearen Baugruppe die gleichen Eigenschaften aufweist, als wäre das Eingangssignal der Gesamtbaugruppe mit der inversen Transferfunktion der nichtlinearen Baugruppe vom Eingang des Gesamtsystems zum Eingang der nichtlinearen Baugruppe übertragen worden. Nach der nichtlinearen Baugruppe weist das Signal bei geeigneter Skalierung der Funktionsblöcke eine lineare Verstärkung auf, da sich die Nichtlinearitäten der Vorbehandlung und der nichtlinearen Baugruppe ausgleichen.
Zur Erzeugung eines Kompensationssignals mit den gewünschten Eigenschaften wird ein Rückwärtszweig eingesetzt, der einen positiven Rückkopplungspfad mit linearer Übertragungsfunktion und einen negativen Rückkopplungspfad, der ein mit der Transferfunktion der nichtlinearen Baugruppe übertragenes Signal bereitstellt, besitzt. D. h. dass das Kompensationssignal aus zwei Teilsignalen besteht. Die Schleifenverstärkung des positiven Rückkopplungspfades weist im Linearisierungsbereich einen Wert von eins auf.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Eingang des negativen Rückkopplungspfades mit dem Eingang der nichtlinearen Baugruppe verbunden ist. Die Übertragungsfunktion des Pfades weist dann die gleichen nichtlinearen Eigenschaften wie die der nichtlinearen Baugruppe auf. Dafür werden die Bauelemente des negativen Rückkopplungspfades in der gleichen Herstellungstechnologie, vorzugsweise im gleichen Verfahrensschritt hergestellt, sowie benachbart zu den Bauelementen der nichtlinearen Baugruppe angeordnet. In einer integrierten Schaltung werden beispielsweise die Transistoren sowohl des nichtlinearen Rückkopplungspfades als auch die Transistoren der nichtlinearen Baugruppe in einem Transistorfeld (Array) angeordnet und hergestellt. Derart ist gewährleistet, dass die Bauelemente der Feedbackanordnung und der elektronischen Baugruppe die gleichen herstellungsbedingten Streuungen der Parameter aufweisen. Außerdem wirken sich beispielsweise Temperaturänderungen oder alterungsbedingte Veränderungen von Parametern gleich aus. Dadurch ist gewährleistet, dass durch das Feedbacksystem die exakte Umkehrfunktion der Transferfunktion der nichtlinearen Baugruppe gebildet werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Eingang des negativen Rückkopplungspfades mit dem Ausgang der nichtlinearen Baugruppe verbunden ist. Da das so in den Rückkopplungspfad eingespeiste Signal schon die Nichtlinearitäten der nichtlinearen Baugruppe besitzt, muss der Rückkopplungspfad in dieser Ausgestaltung eine lineare Übertragungsfunktion besitzen. Zudem sollte das Signal skaliert werden, z. B. mit dem reziproken Wert der Verstärkung des Gesamtsystems.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Eingang des positiven Rückkopplungspfades mit dem Eingang oder dem Ausgang des im Vorwärtszweig enthaltenen linearen Pfades (z. B. Treibers) verbunden ist. In jedem Fall muss die Schleifenverstärkung des positiven Rückkoppelpfades im Linearisierungsbereich einen Wert von eins besitzen.
In einer speziellen Realisierung ist vorgesehen, dass dem Eingang x_in ein Vorverstärker vorgeschaltet ist.
Zur Vorverstärkung eines Eingangssignals mit geringer Signalamplitude kann dem Eingang ein Vorverstärker vorgeschaltet werden, ohne einen Einfluss auf das hier beschriebene Verfahren zur Linearisierung oder die zugehörige Anordnung.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorverstärker, der lineare Signalpfad im Vorwärtszweig, die nichtlineare Baugruppe und die Rückkopplungseinheit jeweils und je Signalpfad zwei Eingänge und zwei Ausgänge zur Verarbeitung von Differenzsignalen aufweisen. Darüberhinausgehend ist es auch möglich, dass die Baublöcke zwischen differenziellen und unsymmetrischen (single-ended) Signalen wechseln und die Anordnung einen Ausgang und zwei Eingänge aufweist oder umgekehrt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Summationseinheit in zwei Summationseinheiten aufgeteilt wird. Der Signalpfad zwischen den Summationseinheiten muss linear sein, kann aber eine Übertragungsfunktion ungleich eins besitzen. Dabei ist zu beachten, dass die Schleifenverstärkung des positiven Rückkoppelpfades auch mit dem neuen Signalpfad einen Wert von eins aufweisen muss und dass die Gesamtverstärkung des Systems von der Übertragungsfunktion des neuen Signalpfades beeinflusst wird.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass ein Vorwärtszweig mit einem Signalpfad mittels eines Signalpfads mit einer linearen Übertragungsfunktion und einer nichtlinearen Baugruppe bereitgestellt wird, dass ein Rückwärtszweig zur Erzeugung des Kompensationssignals bereitgestellt wird, wobei das Kompensationssignal einen ersten linear übertragenen von einem positiven Pfad des Rückwärtszweiges bereitgestellten Anteil und einen zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenen von einem negativen Pfad des Rückwärtszweiges bereitgestellten zweiten Anteil beinhaltet und dass das Kompensationssignal mittels eines bereitgestellten Summationsmittels auf das Eingangssignal aufsummiert wird.
Zur Linearisierung der Übertragungsfunktion der nichtlinearen Baugruppe wird ein Kompensationssignal gebildet und mit dem eigentlichen Steuer- oder Nutzsignal eingangsseitig summiert, so dass das am Ausgang x_out des Gesamtsystems ausgegebene Ausgangssignal keine Nichtlinearitäten mehr beinhaltet.
Dieses Kompensationssignal besteht aus einem positiv rückgekoppelten linear übertragenen Anteil und aus einem zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenen Anteil.
Zur Gewährleistung der Linearisierung muss die Schleifenverstärkung des positiven Rückkopplungspfades im Linearisierungsbereich einen Wert von eins aufweisen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Linearisierung einer Übertragungsfunktion einer nichtlinearen Baugruppe,
2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach 1 mit einer zweiten Summationseinheit,
3 einen Auszug aus einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Summationsanordnungen in einer zweiten Variante,
4 einen Auszug aus einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Summationsanordnungen in einer dritten Variante,
5 eine Ausführung der Erfindung mit einem Signalpfad mit einer linearen Übertragungsfunktion zwischen der ersten- und der zweiten Summationseinheit,
6 eine weitere Variation der erfindungsgemäßen Anordnung,
7 eine andere Variation der erfindungsgemäßen Anordnung,
8 eine abgewandelte Variation der erfindungsgemäßen Anordnung,
9 eine Blocklevelschaltung einer Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer zusätzlichen Vorverstärkerstufe,
10 eine Schaltungsvariante zur Umsetzung der Anordnung in einer Gesamtübersicht einer Ausführung,
11 eine Blocklevelschaltung einer Ausführung der Anordnung für einen Differenzsignalbetrieb,
12 eine Schaltungsvariante einer Anordnung des Rückwärtszweiges,
13 eine Schaltungsvariante für eine Leistungs-Stufe,
14 eine Schaltungsvariante einer Treiber-Stufe der Anordnung und
15 eine Schaltungsvariante einer Vorverstärker-Stufe der Anordnung.
Die 1 zeigt ein Blockschaltbild für eine Anordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe 4 in einer möglichen Ausführungsvariante.
Ein Eingangssignal x_in 3 wird über eine erste Summationsanordnung 9 an den Eingang eines Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion 2 angelegt. Am Ausgang dieses Pfads wird ein Ausgangssignal zur Ansteuerung der nichtlinearen Baugruppe 4 ausgegeben, welches erfindungsgemäß derart modifiziert ist, dass das Ausgangssignal der nichtlinearen Baugruppe 4 am Ausgang x_out 5 frei von nichtlinearen Anteilen ist.
Hierfür ist neben dem linearen Signalpfad 2 eine einen Rückwärtszweig bildende Rückkopplungseinheit 6 vorgesehen.
Diese Rückkopplungseinheit 6 beinhaltet einen positiven Rückkopplungspfad mit linearer Übertragungsfunktion 7. Außerdem ist ein negativer Rückkopplungspfad 8 beinhaltet. Dieser Signalpfad beinhaltet in dieser Ausführung eine Übertragungsfunktion, die die gleichen Nichtlinearitäten wie die nichtlineare Baugruppe 4 enthält.
Die Ausgangssignale des negativen Rückkopplungspfads 8 und des positiven Rückkopplungspfads 7 werden in der ersten Summationseinheit 9 zusammengeführt.
Wie in der 1 dargestellt ist, sind in einer Ausführungsvariante die Eingänge des negativen Rückkopplungspfads 8 und des positiven Rückkopplungspfads 7 miteinander und mit dem Ausgang des linearen Signalpfads 2 verbunden.
Die mathematischen Beziehungen zur Darstellung in der 1 können wie nachfolgend beschrieben werden: x_out = k·f(x) (1) x = a(x_in + b·x – f(x)) (2) Für a·b = 1 (3) gilt x = f^–1(x_in) (4) und damit x_out = k·x_in. (5)
In der 2 ist eine weitere Anordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe dargestellt, bei welcher neben der ersten Summationseinheit 9 eine zweite Summationseinheit 10 angeordnet ist. Dies stellt nur eine alternative Ausführung dar und ändert den Verfahrensablauf nicht.
In den 3 und 4 sind weitere alternative Ausgestaltungen des Bereichs der Summationseinheiten 9 und 10 aufgezeigt, wobei zusätzlich zwischen diesen optional ein linearer Signalpfad 16 berücksichtigt werden kann.
In der 5 und nachfolgenden sind weitere alternative Ausführungen der Anordnung dargestellt. In diesen ist zwischen der ersten Summationseinheit 9 und der zweiten Summationseinheit 10 ein Pfad 16 mit einer linearen Übertragungsfunktion, die ungleich eins sein kann, eingefügt.
In den in den 5 und 7 gezeigten Ausführungen weist die Schleife, bestehend aus dem linearen Signalpfad 2, dem linearen Rückkopplungspfad 7 und dem zwischen beiden Summationseinheiten angeordneten linearen Signalpfad 16, eine Schleifenverstärkung von eins auf.
Die mathematischen Beziehungen zur Darstellung in der 5 können wie nachfolgend beschrieben werden: x_out = k·f(x) (6) x = a(c(b·x – f(x))+ x_in) (7) a·b·c = 1 (8) x = f^–1(x_in/c) (9) x_out = k / c·x_in (10)
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Anordnung, bei welcher nur der Eingang des negativen Rückkopplungspfads 8 mit dem Ausgang des Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion 2 verbunden ist.
Der Eingang des positiven Rückkopplungspfads 7 ist in dieser Ausführung mit dem Eingang des Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion 2 verbunden. Diese Änderung hat eine geänderte mathematische Beziehung der Größen zur Folge: x_out = k·f(x) (11) x = a(c( b' / a·x – f(x)) + x_in) (12) b'·c = 1 (13) x = f^–1(x_in/c) (14) x_out = k / c·x_in (15)
In der 7 ist eine weitere alternative Ausführung dargestellt, in welcher der Unterschied darin besteht, dass der Eingang des negativen Rückkopplungspfads 8 mit dem Ausgang der nichtlinearen Baugruppe 4 verbunden ist.
Da das Signal schon mit der Transferfunktion der nichtlinearen Baugruppe übertragen wurde, muss die Transferfunktion des negativen Rückkoppelpfades in dieser Ausführung linear sein, sollte jedoch eine Skalierung vornehmen, um eine Verstärkung im Gesamtsystem zu ermöglichen. Ist der Skalierungsfaktor 1/k wie in der 7 dargestellt, ergeben sich die gleichen mathematischen Beziehungen wie für 5: x_out = k·f(x) (16) x = a(c(b·x – f(x))+ x_in) (17) a·b·c = 1 (18) x = f^–1(x_in/c) (19) x_out = k / c·x_in (20)
In der 8 ist eine weitere Ausführung dargestellt. In dieser ist im Unterschied zur 7 der Eingang des positiven Rückkopplungspfads 7 mit dem Eingang des Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion 2 verbunden. Die mathematischen Beziehungen ergeben sich bei einem Skalierungsfaktor von 1/k für den negativen Rückkopplungspfad 8 wie folgt: x_out = k·f(x) (21) x = a(c( b' / a·x – f(x)) + x_in) (22) b'·c = 1 (23) x = f^–1(x_in/c) (24) x_out = k / c·x_in (25)
In allen Anwendungsfällen wird das zu verstärkende Signal x mit der inversen Transferfunktion der nichtlinearen Baugruppe 4 verzerrt, um nach der Verstärkung durch die nichtlineare Baugruppe 4 eine lineare Verstärkung aufzuweisen. Wenn auch eine Signalverstärkung mittels der nichtlinearen Baugruppe 4 in den meisten Fällen vorteilhaft ist, so ist diese keine Bedingung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 9 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung in einem Blocklevelschaltplan für einen elektronischen Leistungsverstärker mit einem zusätzlichen eingangsseitig angeordneten Vorverstärker 11 und einem am Ausgang 5 angeschlossenen Lastwiderstend R_L. Bei einem Eingangssignal geringer Amplitude besteht die Möglichkeit einer ersten Signalverstärkung mittels des dargestellten Vorverstärkers 11. Dessen Ausgangssignal ist dann das oben beschriebene Eingangssignal x_in 3. Die Funktionsweise dieser Anordnung entspricht ansonsten der bereits oben zur 1 erläuterten.
In der 10 ist eine Realisierung der Anordnung mit einem Vorverstärker 11 auf Transistorniveau dargestellt. Diese Umsetzung weist zwei Eingänge „inp“ und „inn“ sowie zwei Ausgänge 5 „outp“ und „outn“ auf und ist zum Betrieb mit Differenzsignalen geeignet. Dargestellt sind auch die den Eingängen 3 entsprechenden Punkte in der Schaltung, jeweils an den Kollektoren der Transistoren Q1 und Q2.
Ein Blocklevelschaltplan zur Verarbeitung von Differenzsignalen zeigt die 11. Alle Teilbaugruppen weisen hier je zwei Ein- und Ausgänge auf. Dargestellt ist auch ein optionaler Vorverstärker 11.
Die 12 bis 15 zeigen beispielhafte Ausführungen der in der 11 gezeigten Teilbaugruppen mit korrespondierenden Bezeichnungen der Ein- und Ausgänge. Diese Ausführungen stellen aber keine Beschränkung auf eine dieser Formen dar.
Hierzu zeigt die 12 die Rückkopplungseinheit 6, die 13 einen Leistungsverstärker als eine nichtlineare Baugruppe 4, die 14 einen Treiber als einen Signalpfad mit linearer Übertragungsfunktion 2 und die 15 einen Vorverstärker 11.
Die vorgeschlagene neue Methode zur Kompensation von Nichtlinearitäten, welche beispielsweise in einem Verstärker auftreten, ist sowohl unabhängig von Prozess- als auch von dynamischen Variationen. Darin beinhaltet ist die Nutzung einer Rückkopplungseinheit mit einem positiven und einem negativen Rückkopplungspfad, welche die exakte Inverse einer nichtlinearen signalabhängigen Transferfunktion mit realen Bauelementen erzeugen kann.
Der Vorteil der Linearisierung einer Komponente wie beispielsweise eines Leistungsverstärkers durch das vorgeschlagene Verfahren besteht auch darin, dass der Leistungsverstärker in einem Bereich betrieben werden kann, der eine höhere Effizienz im Gegensatz zu konventionellen linearen Verstärkern besitzt. Die verwendete Methode ermöglicht eine Linearisierung, die unabhängig von Prozessvariationen und dynamische Änderungen ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die nichtlineare Umkehrfunktion exakt erzeugt werden kann, ohne Bauelemente mit nicht realisierbaren Eigenschaften, wie einer unendlich hohen Verstärkung oder einem unendlich hohen Eingangswiderstand, zu benötigen. Dies führt dazu, dass eine technische Implementierung

– das theoretische Ideal genauer umsetzt,
– in einem größeren dynamischen Signalbereich einsetzbar ist,
– einen geringeren schaltungstechnischen Aufwand benötigt,
– dadurch weniger Energie verbraucht
– und kostengünstiger in der Herstellung ist.

Bezugszeichenliste

1: Anordnung zur Linearisierung (Feedbacksystem)
2: Signalpfad mit linearer Übertragungsfunktion
3: Eingang x_in
4: nichtlineare Baugruppe (Verstärker)
5: Ausgang x_out
6: Rückkopplungseinheit/Rückwärtszweig
7: Rückkopplungspfad mit linearer Übertragungsfunktion (positiver Rückkopplungspfad)
8: Rückkopplungspfad, der das mit einer nichtlinearen Baugruppe übertragene Signal zurückkoppelt (negativer Rückkopplungspfad)
9: erste Summationseinheit
10: zweite Summationseinheit
11: Vorverstärker
12: Vorwärtszweig
13: Pfad des Vorwärtszweigs
14: positiver Pfad des Rückwärtszweiges
15: negativer Pfad des Rückwärtszweiges
16: linearer Signalpfad zwischen zwei Summationsmitteln

Claims

Anordnung zur Kompensation von Nichtlinearitäten einer Baugruppe, wobei Nichtlinearitäten durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion der Baugruppe entstehen, wobei die Übertragungsfunktion eine mathematische Beziehung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal beschreibt, wobei die Anordnung (1) einen Eingang x_in (3) zum Anlegen eines Eingangssignals, einen mit diesem Eingang zumindest mittelbar verbundenen Signalpfad mit einer linearen Übertragungsfunktion (2) sowie eine nachgeschaltete nichtlineare Baugruppe (4) mit einem Ausgang x_out (5) zur Ausgabe eines Ausgangssignals umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (1) eine Rückkopplungseinheit (6) aufweist, welche einen positiven Rückkopplungspfad mit einer linearen Übertragungsfunktion (7) und einen negativen Rückkopplungspfad (8), der ein zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenes Signal zur Verfügung stellt, umfasst, wobei ein Ausgang des positiven Rückkopplungspfads (7) mit einem ersten nichtinvertierenden Eingang und ein Ausgang des negativen Rückkopplungspfads (8) mit einem zweiten invertierenden Eingang einer ersten Summationsanordnung (9) zumindest mittelbar verbunden sind, dass ein dritter Eingang der ersten Summationsanordnung (9) mit dem Eingang x_in (3) verbunden ist und dass ein Ausgang der ersten Summationsanordnung (9) mit einem Eingang des Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion (2) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang des positiven Rückkopplungspfads (7) mit einem Ausgang des Signalpfads mit linearer Übertragungsfunktion (2) oder mit dessen Eingang verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eingang des negativen Rückkopplungspfads (8) mit einem Eingang der nichtlinearen Baugruppe (4) oder deren Ausgang verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eingang x_in (3) ein Vorverstärker (11) vorgeschaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverstärker (11), der Signalpfad mit linearer Übertragungsfunktion (2), die nichtlineare Baugruppe (4) und die Rückkopplungseinheit (6) jeweils und je Signalpfad zwei Eingänge und zwei Ausgänge zur Verarbeitung von Differenzsignalen aufweisen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Baugruppe (4) eine elektronische Baugruppe ist.
Verfahren zur Linearisierung einer Übertragungsfunktion einer Baugruppe, wobei Nichtlinearitäten durch eine nichtlineare Übertragungsfunktion der Baugruppe entstehen, wobei die Übertragungsfunktion eine mathematische Beziehung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangssignal beschreibt und wobei ein Kompensationssignal gebildet und auf das Eingangssignal zurückgekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwärtszweig (12) mit einem Signalpfad (13) mittels eines Signalpfads mit einer linearen Übertragungsfunktion (2) und einer nichtlinearen Baugruppe (4) bereitgestellt wird, dass ein Rückwärtszweig (6) zur Erzeugung des Kompensationssignals bereitgestellt wird, wobei das Kompensationssignal einen ersten linear übertragenen von einem positiven Pfad des Rückwärtszweiges (14) bereitgestellten Anteil und einen zumindest mit der nichtlinearen Übertragungsfunktion übertragenen von einem negativen Pfad des Rückwärtszweiges (15) bereitgestellten zweiten Anteil beinhaltet und dass das Kompensationssignal, mittels eines bereitgestellten Summationsmittels, auf das Eingangssignal aufsummiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifenverstärkung der Rückkopplung über den positiven Pfad des Rückwärtzweiges (14) im Linearisierungsbereich einen Wert von eins aufweist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Baugruppe (4) eine Verstärkungsfunktion aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalpfad mit linearer Übertragungsfunktion (2) eine Treiberfunktion für die nichtlineare Baugruppe (4) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Baugruppe (4) eine elektronische Baugruppe ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des positiven Pfads des Rückwärtszweiges (14) mit positivem Vorzeichen und das Signal des negativen Pfads des Rückwärtszweiges (15) mit negativem Vorzeichen über das bereitgestellte Summationsmittel auf das Eingangssignal zurückgekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Bereitstellung von jeweils zwei Ein- und Ausgängen in den Zweigen (12 und 6) und den Pfaden (13, 14 und 15) eine Verarbeitung von Differenzsignalen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ eine Wandlung von Differenzsignalen in unsymmetrische Signale und umgekehrt erfolgt.