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Die Erfindung betrifft einen Pegelumsetzer, der ein an seinem Eingang anliegendes elektrisches Signal mit einem ersten Signalpegel mit einem ersten Bezugspotential in ein Ausgangssignal mit einem zweiten Signalpegel mit einem zweiten Bezugspotential umsetzt.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Pegelumsetzer (engl. Level-Shifter) werden beispielsweise benötigt, wenn verschiedene elektrische Schaltkreise mit unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungen miteinander verbunden werden sollen. Eine häufige Anwendung ist beispielsweise die Umsetzung eines TTL-Logikpegels in Höhe von 0 V / 5 V auf die -12 V / 12 V Pegel einer seriellen RS232-Schnittstelle. Aber auch für die Schaltendstufen von Hochspannungsverstärkern mit mehreren in Serie geschalteten Transistoren werden Pegelumsetzer benötigt.
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Bekannte Pegelumsetzer dienen nicht nur zum Verstärken oder Abschwächen eines Eingangssignals, sondern verschieben in der Regel auch den gesamten Spannungsbereich. Soll beispielsweise ein analoges Audiosignal mit einem typischen Spannungsbereich zwischen -100 mV bis 100 mV digitalisiert werden, d. h. in einen Spannungsbereich von z.B. 0 V bis 5 V umgesetzt werden, ist es nicht nur nötig, das Analogsignal zu verstärken, sondern auch durch Addition einer Offset-Spannung zu verschieben. Zur Realisierung eines solchen Analog-Digital-Umsetzers muss das Audiosignal (-100 mV bis 100 mV) um einen Faktor 25 verstärkt und mit einer Offset-Spannung von 2,5 V überlagert werden. In diesem Fall kann als Pegelumsetzer beispielsweise ein Subtrahier-Verstärker eingesetzt werden.
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Bei speziellen Anwendungen kann es auch erforderlich sein, die miteinander zu verbindenden elektronischen Schaltungen galvanisch voneinander zu trennen. Auch hier werden Pegelumsetzer eingesetzt, die neben der Anpassung der Spannungspegel auch eine galvanische Trennung der Eingangs- und Ausgangssignale bewirken. Dies kann beispielsweise mittels Optokopplern oder Impulstransformatoren bzw. Übertragern geschehen.
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Die
US 2010/0148877 A1 offenbart ferner einen Pegelumsetzer mit einem Eingang und einem Ausgang, der ein am Eingang anliegendes elektrisches Signal mit einem ersten Signalpegel in ein Ausgangssignal mit einem zweiten Signalpegel umsetzt. Das Eingangssignal wird in diesem Fall auf zwei Äste aufgeteilt und am Ausgang wieder addiert. Weitere Pegelumsetzer sind aus der
US 7 200 371 B1 , der
EP 0 476 908 A1 oder der
DE 34 46 660 A1 bekannt.
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Allen bekannten Pegelumsetzern ist aber gemeinsam, dass sie zu geringe Bandbreiten aufweisen, um insbesondere moderne Transistoren ausreichend schnell anzusteuern zu können.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen galvanisch getrennten Pegelumsetzer mit einer höheren Bandbreite zu schaffen.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird ein Pegelumsetzer mit einem Eingang und einem Ausgang vorgeschlagen, der ein am Eingang anliegendes elektrisches Signal mit einem ersten Signalpegel in ein Ausgangssignal mit einem zweiten Signalpegel umsetzt und der einen Übertrager zur galvanischen Trennung von Eingang und Ausgang aufweist. Am Eingang des erfindungsgemäßen Pegelumsetzers ist ein Signalteiler vorgesehen, der das Eingangssignal auf wenigstens zwei Äste aufteilt, wobei ein erster Ast einen Hochpass sowie einen ersten Übertrager umfasst, dem das hochpassgefilterte Signal zugeführt wird. Der zweite Ast umfasst wenigstens einen Tiefpass und eine Einrichtung zur Portentialtrennung, wie z. B: einen zweiten Übertrager oder einen Optokoppler. Ein solcher Pegelumsetzer bietet eine sehr hohe Bandbreite für die Signalübertragung und darüber hinaus eine galvanische Trennung der Signale.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst der niederfrequente (zweite) Ast einen Wechselrichter, der aus einem Gleichstromanteil des Eingangssignals eine Wechselspannung, wie z. B. eine getaktete Rechteckspannung, erzeugt, sowie einen zweiten Übertrager, dem das Ausgangssignal des Wechselrichters zugeführt wird.
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Auf der Sekundärseite des zweiten Übertragers ist in diesem Fall vorzugsweise ein Gleichrichter angeschlossen.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der zweite Ast statt des zweiten Übertragers auch einen Optokoppler als Einrichtung zur Potentialtrennung umfassen.
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Der vorstehend genannte Hochpass ist vorzugsweise auf der Primärseite des ersten Übertragers im ersten Ast angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Pegelumsetzer ferner einen Addierer, der die auf dem ersten und dem zweiten Ast geführten Signale addiert. Der Addierer ist vorzugsweise auf der Sekundärseite des ersten Übertragers und der Einrichtung zur Potentialtrennung angeordnet. Der erste Ast ist dabei an einem ersten Anschluss des Addierers, und der zweite Ast am zweiten Anschluss des Addierers angeschlossen.
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Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Pegelumsetzer auch einen Tiefpass aufweisen, der auf der Sekundärseite des zweiten Übertragers bzw. Optokopplers im zweiten Ast angeschlossen ist.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfasst der Pegelumsetzer auch einen Verstärker, der auf der Primärseite des ersten Übertragers im ersten Ast angeordnet ist.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaltbild eines Pegelumsetzers mit einem Übertrager gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärker-Endstufe mit einem p-Kanal und einem n-Kanal Mosfet;
- 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärker-Endstufe mit zwei n-Kanal Mosfets; und
- 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Verstärker-Endstufe mit insgesamt vier n-Kanal Mosfets.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein Schaltbild eines Pegelumsetzers 1 gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung. Der Pegelumsetzer 1 hat einen Eingang 2 und einen Ausgang 3 und dient dazu, ein am Eingang 2 anliegendes analoges Signal mit einem ersten Spannungspegel Ui in ein Ausgangssignal mit einem zweiten Spannungspegel Uo umzusetzen. Der dargestellte Pegelumsetzer 1 umfasst einen Signalteiler 14, der das am Eingang 2 anliegende elektrische Signal auf zwei Äste 7, 8 aufteilt. Der Signalteiler 14 ist dabei lediglich als eine Vergabelung mit einem Schaltungsknoten realisiert.
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Von den beiden Ästen 7, 8 dient der obere Ast 7 im Wesentlichen zur Übertragung hochfrequenter Anteile des Eingangssignals. Der untere Ast 8 dient dagegen zur Übertragung niederfrequenter Anteile bzw. eines Gleichstromanteils des Eingangssignals. Am Ausgang 3 des Pegelumsetzers 1 ist ein Addierer 16 vorgesehen, der den am ersten Ast 7 geführten hochfrequenten Signalanteil und den am zweiten Ast 8 geführten niederfrequenten Signalanteil schließlich wieder addiert, wodurch der Pegelumsetzer 1 eine sehr hohe Bandbreite bietet.
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Der in 1 dargestellte Pegelumsetzer 1 umfasst im Einzelnen: einen Hochpass 15, der niederfrequente Anteile des Eingangssignals dämpft, so dass der erste Ast 7 im Wesentlichen nur einen hochfrequenten Anteil des Eingangssignals führt, sowie einen ersten Übertrager 4a zur galvanischen Trennung von Eingang 2 und Ausgang 3. Der Hochpass 15 ist dabei auf der Primärseite 18 des ersten Übertragers 4a im ersten Ast 7 angeordnet. Der Hochpass 15 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als typischer RC-Hochpass ausgeführt und umfasst einen Kondensator 9 und einen gegen Masse geschalteten Widerstand 10. Darüber hinaus ist auf der Primärseite 18 des ersten Übertragers 4a noch ein Impedanz-wandler 20 vorgesehen, der zwischen dem Hochpass 15 und dem ersten Übertrager 4a angeordnet ist.
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Der zweite Ast 8 umfasst einen Wechselrichter 5, wie z. B. einen Zerhacker, der an seinem Ausgang eine getaktete Rechteckspannung erzeugt, sowie einen zweiten Übertrager 4b. Der Wechselrichter 5 ist erforderlich, damit niederfrequente Anteile und insbesondere ein Gleichstromanteil des Eingangssignals mittels des zweiten Übertragers 4b übertragen werden können.
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Auf der Sekundärseite 19 des zweiten Übertragers 4b ist ferner ein Gleichrichter 6 vorgesehen, der das vom zweiten Übertrager 4b erzeugte Signal gleichrichtet. Nach dem Gleichrichter 6 ist ferner ein Tiefpass 13 vorgesehen, der zur Glättung des gleichgerichteten Signals dient. Der Tiefpass 13 ist in üblicher Weise als ein RC-Tiefpass realisiert, der hier einen im zweiten Ast 8 angeordneten Widerstand 11 sowie eine gegen Masse GND geschaltete Kapazität 12 umfasst. Das gleichgerichtete und geglättete Signal wird dann dem Addierer 16 zugeführt.
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Es ist durchaus auch denkbar, den Tiefpass-Pfad als einen opto-entkoppelten Pfad auszuführen. In diesem Fall werden der Zerhacker und der Gleichrichter durch entsprechende Verstärker, und der zweite Übertrager durch einen Optokoppler.ersetzt. Um bessere Genauigkeiten zu erzielen, kann ein Servo-Verstärker eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise beschrieben in der App Note 50 „Designing Linear Amplifiers Using the IL300 Optocoupler“ 8, von Fa. Vishay.
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Am Eingang des Pegelumsetzers 1 ist ferner ein Impedanz-Wandler 17 vorgesehen. Die 2 bis 4 zeigen verschiedene Applikationen, in denen ein solcher Pegelumsetzer 1 eingesetzt werden kann. Dabei ist in 2 eine Verstärker-Endstufe 21 mit zwei in Push/Pull Anordnung geschalteten Mosfets dargestellt. Der obere der beiden Mosfets 23 ist in diesem Fall ein p-Kanal Mosfet und der untere ein n-Kanal Mosfet. Der obere Mosfet 23 ist dabei an einer positiven Versorgungsspannung V+ und der untere Mosfet 23 an einer negativen Versorgungsspannung V- angeschlossen.
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Die Verstärker-Endstufe 21 umfasst einen Eingang 2 und einen Ausgang 3, an dem sie ein Signal ausgibt, das zwischen einem positiven Wert V+ und einem negativen Wert V- hin und her pendeln kann.
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Jeder der Mosfets 23 wird in bekannter Weise von einer Treiberschaltung 24, dem sogenannten „Gate-Treiber“ angesteuert. Um die für die Mosfets 23 erforderlichen Steuerspannungen zu generieren, ist für jeden der Mosfets 23 ein zugehöriger Pegelumsetzer 1 vorgesehen.
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Am Eingang 2 der Verstärker-Endstufe 21 ist ferner ein Regler 25 vorgesehen, der die Schaltzeitpunkte und Stärke der Ansteuerung der beiden Mosfets 23 regelt.
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3 zeigt eine andere Verstärker-Endstufe 21 ähnlich wie 2, die allerdings zwei n-Kanal Mosfets 23 umfasst. In diesem Fall ist im Steuerpfad des oberen Mosfets 23 ein invertierender Verstärker 27 angeordnet. Im Übrigen ist die Verstärker-Endstufe identisch aufgebaut wie in 2, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
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4 zeigt schließlich noch eine Verstärker-Endstufe 21 mit insgesamt vier in Serie geschalteten Mosfets 23. Sämtliche Mosfets 23 sind dabei als n-Kanal Mosfets realisiert. Die beiden oberen Mosfets 23 liegen an der positiven Versorgungsspannung V+ und die beiden unteren Mosfets 23 an der negativen Versorgungsspannung V-. Im Ansteuerpfad der beiden oberen Mosfets 23 ist wiederum jeweils ein invertierender Verstärker 27 angeordnet. Im Übrigen entspricht die Verstärker-Endstufe 21 von 4 derjenigen von 3, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
