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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Verstärker
und insbesondere auf Verstärker
für Signale,
die über
ADSL- oder xDSL-Leitungen zu übertragen
sind.
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Im ADSL-Standard wird die DMT-(Discrete Multi
Tone)Modulation verwendet. Dabei treten im Signalverlauf eines DMT-Signals relativ niedrige
Amplituden mit zeitweise hohen Signalspitzen auf. Die DMT-Signale
besitzen daher einen hohen Crest-Faktor. Der Crest-Faktor bezeichnet
das Verhältnis
des Spitzenwerts der Signalamplitude zu dem Effektivwert des Signals.
Leistungsverstärker
müssen
bei der Anwendung im Bereich der Signalübertragung daher hohe Anforderungen
erfüllen.
Eine Anforderung besteht in einer hohen Linearität. Bei schaltenden Leistungsverstärkern besteht
eine weitere Anforderung in der starken Unterdrückung einer Schaltfrequenz.
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3 zeigt
einen bekannten Verstärker
für xDSL-Signale,
der in dem Artikel von Tim Piessens, Michiel Steyaert: „SOPA:
A High-Efficiencey Line Driver in 0,35 μm CMOS using a Self-Oscillating Power Amplifier", 2001, IEEE International
Solid-State Circuits
Conference, Session 19, 19.5, beschrieben ist. Der Verstärker besteht
aus zwei Teilverstärkern,
die an Eingängen
derselben mit komplementären
Eingangssignalen, d. h. einem ersten Eingangssignal IN1 und einem
dazu komplementären
Eingangssignal IN2 (= –IN1),
gespeist werden und jeweils ein Ausgangssignal OUTl, OUT2 an einem
Ausgang derselben als Ausgangssignale des Verstärkers liefern. Die Teilverstärker weisen
jeweils einen Komparator 302, 302', einen digitalen Puffer 304, 304' und ein Schleifenfilter 306, 306' auf. Die Teilverstärker sind miteinander über eine
kapazitive Kopplung 308 gekoppelt.
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Die Komparatoren 302, 302' umfassen jeweils
einen ersten positiven (+) Eingang, in den das erste Eingangssignal
IN1 bzw. das zweite Eingangssignal IN2 eingespeist wird, und einen zweiten
negativen (–)
Eingang, in den ein Rückkopplungssignal des
jeweiligen Schleifenfilters 306, 306' eingespeist wird,
um mit dem jeweiligen Eingangssignal verglichen zu werden. Jedes
Schleifenfilter 306, 306', das aus einem RC-Filter dritter
Ordnung besteht, weist einen Eingang, an den das jeweilige Ausgangssignal OUT1,
OUT2 des Teilverstärkers
anliegt, und einen Ausgang auf, an dem das Rückkopplungssignal geliefert
wird. Zwischen dem jeweiligen Komparator 302, 302' und einem Ausgangsknoten 310, 310' eines Teilverstärkers ist
jeweils ein digitaler Puffer 304, 304' geschaltet,
der das digitale Ausgangssignal des jeweiligen Komparators 302, 302' verstärkt. Die
Ausgangsknoten 310, 310' der Teilverstärker sind über die kapazitive Kopplung 308 miteinander
verbunden.
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Die Komparatoren 302, 302' sind nicht
getaktet, so dass die Schleifen, die durch die jeweiligen Schleifenfilter 306, 306' gebildet sind,
vollständig analog
sind. Die Schleifenfilter 306, 306' sind derart aufgebaut, dass die
Schleife instabil ist, und weisen selbst eine bestimmte Eigenfrequenz
bzw. Schaltfrequenz auf. Durch die kapazitive Kopplung 308 werden
die Teilverstärker
synchronisiert und die Eigenschwingungen sind in Phase. Das Ausgangssignal jedes
Teilverstärkers
ist ein Rechteckwellensignal, das jeweils die Eigenschwingung des
Schleifenfilters, die die Schaltfrequenz aufweist, die zugeordneten Oberschwingungen
der Eigenschwingung, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der
Schaltfrequenz sind, und das jeweils verstärkte Eingangssignal bzw. Nutzsignal,
das eine bestimmte Nutzfrequenz aufweist, enthält. Durch die Verkoppelung
der beiden Teilverstärker
werden die Eigenschwingungen derselben nicht nur synchronisiert,
sondern es wird ferner die Schaltfrequenz im Ausgangsdifferenzsignal,
das durch die Differenz der Ausgangssignale OUT1 und OUT2 gebildet
wird, unterdrückt.
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Ein Nachteil des Verstärkers von 3 besteht darin, dass vor
allem bei der Anlaufphase des Verstärkers die Gefahr besteht, dass
die beiden Teilverstärker
nicht synchron schwin gen und daher die Schaltfrequenz auch im Ausgangsdifferenzsignal auftritt.
Dies ist dadurch bedingt, dass die Verkopplung der beiden schwingungsfähigen Teilverstärker ein
komplexes System bildet, dessen dynamisches Verhalten unter Umständen unerwünschte Effekte besitzt.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin,
dass die Rückkopplung
eines sinusähnlichen
Signals, das der Eigenschwingung entspricht, eine nicht lineare
Kennlinie bewirkt. Der Linearität
des Verstärkers
sind daher bereits prinzipiell Grenzen gesetzt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, einen Verstärker
zu schaffen, der ein verbessertes Verhalten hinsichtlich der Schaltfrequenzanteile
im Ausgangssignal und hinsichtlich der Linearität der Verstärkerkennlinie besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verstärker nach
Anspruch 1 gelöst.
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Die der Erfindung zugrundeliegende
Idee besteht darin, die bei einem erfindungsgemäßen Verstärker verwendeten Teilverstärker mit
einem zentral erzeugten Dreieckssignal zu speisen.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass dadurch dass die Schaltfrequenz für beide
Teilverstärker
zentral erzeugt wird, die Teilverstärker immer synchron zueinander
schalten.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin, dass dadurch, dass ein dreieckförmiges Signal zum Schalten
des Verstärkers
verwendet wird, die Kennlinie des Verstärkers prinzipiell linear ist.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung besteht darin, dass dadurch, dass lediglich eine schwingungsfähige An ordnung
in Form eines Signalgenerators, der das Dreieckssignal erzeugt,
in dem erfindungsgemäßen Verstärker verwendet
wird, das Verhalten des Verstärkers
bestimmt ist.
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Die Erfindung schafft einen Verstärker zum Verstärken von
komplementären
Eingangssignalen für
eine Übertragung über eine
Leitung, mit einem ersten Komparator, der ein Dreieckssignal mit
einem ersten Rückkopplungssignal
vergleicht und ein erstes Ausgangssignal liefert, einem ersten Gegenkopplungsnetzwerk,
das aus dem ersten Ausgangssignal und einem ersten Eingangssignal
das erste Rückkopplungssignal
erzeugt, einem zweiten Komparator, der das Dreieckssignal mit einem
zweiten Rückkopplungssignal
vergleicht und ein zweites Ausgangssignal liefert, und einem zweiten
Gegenkopplungsnetzwerk, das aus dem zweiten Ausgangssignal und einem
zweiten Eingangssignal, das komplementär zu dem ersten Eingangssignal
ist, das zweite Rückkopplungssignal
erzeugt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung
des Verstärkers
der vorliegenden Erfindung weisen das erste und das zweite Gegenkopplungsnetzwerk
einen Tiefpass erster Ordnung auf.
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Ein Vorteil dieser bevorzugten Weiterbildung besteht
darin, dass im Vergleich zu dem bekannten Verstärker ein sehr einfaches Gegenkopplungsnetzwerk
mit einer sehr geringen Verzögerungszeit
verwendet werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung weist der Verstärker ferner einen Signalgenerator
auf, der das Dreieckssignal erzeugt, wobei das Dreieckssignal eine
bestimmte Periodendauer aufweist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Weiterbildung der Erfindung ist folgend dem jeweiligen Komparator
ein Puffer angeordnet, der das jeweilige Ausgangssignal des Komparators
verstärkt
und an das jeweilige Gegenkopplungsnetzwerk liefert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugte
Weiterbildung der Erfindung ist die Leitung eine ADSL-Leitung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Verstärker
gemäß der Erfindung;
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2 das
Frequenzspektrum eines Ausgangssignals eines Verstärkers nach 1; und
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3 einen
bekannten Verstärker.
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1 zeigt
einen Verstärker
gemäß der Erfindung.
Der Verstärker
umfasst zwei Teilverstärker, die
jeweils einen Komparator 102, 102', einen Puffer 104, 104' und ein Gegenkopplungsnetzwerk 112, 112' aufweisen.
Der Verstärker
umfasst ferner einen Signalgenerator 114, der ein Dreieckssignal
erzeugt. Der Verstärker
erhält
von einer Signalquelle 116 komplementäre Eingangssignale, d. h. ein
erstes Eingangssignal IN1 und ein dazu komplementäres zweites
Eingangssignal IN2, und liefert an Ausgangsknoten 110, 110' desselben ein
erstes Ausgangssignal OUT1 und ein zweites Ausgangssignal OUT2.
Die Signalquelle 116 ist vorzugsweise eine ADSL-Signalquelle.
Dem Verstärker
ist ferner eine Last 118 nachgeschaltet, der ein Filter 120 vorgeschaltet
ist, das die durch den Verstärker
gelieferten Ausgangssignale filtert, um die Schaltfrequenz und Harmonische
der Schaltfrequenz aus dem Ausgangsdifferenzsignal, das durch die
Differenz der Ausgangssignale OUT1, OUT2 gebildet ist, herauszufiltern.
Die Last ist eine ADSL-Leitung,
in die der Verstärker
ADSL-Signale treibt.
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Jeder Komparator 102, 102' der Teilverstärker weist
einen ersten Eingang 122, 122' der vorzugsweise ein positiver
Eingang ist, und einen zweiten Eingang 124, 124', der vorzugsweise
ein negativer Eingang ist, auf. Jeder erste Eingang
122, 122' der beiden
Komparatoren 102, 102' ist mit einem Ausgang 126 des
Signalgenerators 114 verbunden. Der Signalgenerator erzeugt
an dem Ausgang 126 ein Dreieckssignal, das eine bestimmte
Steilheit und Periodendauer aufweist. Der Signalgenerator 114 weist
selbst einen Eingang 128 auf, der mit einem ersten Ausgang 130 der
Signalquelle 116 verbunden ist, an dem ein Bezugspotential
anliegt, das u. a. sowohl in der Signalquelle 116 als auch
dem Signalgenerator 114 als ein Bezugspotential für die erzeugten Signale
verwendet wird. Die Signalquelle 116 weist zwei weitere
Ausgänge,
d. h. einen zweiten und einen dritten Ausgang 132, 134 auf,
an denen das erste Eingangssignal IN1 und das dazu komplementäre zweite
Eingangssignal IN2 geliefert werden.
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Der zweite Ausgang 132 der
Signalquelle 116 ist mit einem ersten Eingang 136 des
Gegenkopplungsnetzwerks 112 des ersten Teilverstärkers verbunden.
Der dritte Ausgang 134 der Signalquelle 116 ist
mit einem ersten Eingang 136' des
Gegenkopplungsnetzwerks 112' des
zweiten Teilverstärkers verbunden.
Jedes Gegenkopplungsnetzwerk 112, 112' weist jeweils
einen Ausgang 138, 138' auf, der mit dem zweiten Eingang 124, 124' des jeweiligen Komparators 102, 102' verbunden ist.
Jedes Gegenkopplungsnetzwerk 112, 112' weist ferner
einen zweiten Eingang 140, 140' auf, der mit einem Ausgang 142, 142' des jeweiligen
Puffers 104, 104' und
dem jeweiligen Ausgangsknoten 110, 110' eines Teilverstärkers bzw.
des Verstärkers
verbunden ist. Jeder Puffer 104, 104' weist jeweils
einen Eingang 144, 144' auf, der mit einem Ausgang 146, 146' des jeweiligen
Komparators 102, 102' verbunden ist. Die Ausgangsknoten 110, 110' des Verstärkers sind
mit Eingängen 148, 148' des Filters 120 verbunden.
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Beim Betrieb des Verstärkers erzeugt
die Signalquelle 116 komplementäre Eingangssignale IN1, IN2,
die in ein jeweiliges Gegenkopplungsnetzwerk 112, 112' eingespeist
werden, um daraus zusammen mit einem Ausgangssignal OUT1 bzw. OUT2
an dem jeweiligen Ausgangsknoten 110, 110' des Verstärkers ein
ers tes Rückkopplungssignal
für den
Komparator 102 des ersten Teilverstärkers und ein zweites Rückkopplungssignal
für den
Komparator 102' des zweiten
Teilverstärkers
zu erzeugen. Dazu weist das Gegenkopplungsnetzwerk vorzugsweise
ein RC-Filter erster Ordnung auf, wie es schematisch in 1 gezeigt ist. Der Signalgenerator 114 erzeugt
ein Dreieckssignal, das an dem ersten Eingang 122, 122' jedes Komparators 102, 102' anliegt und
mit dem ersten bzw. zweiten Rückkopplungssignal
des jeweiligen Gegenkopplungsnetzwerks 112, 112' verglichen wird.
Durch diesen Vergleich des Rückkopplungssignals
mit dem Dreiecksignal erfolgt eine Pulsweitenmodulation der Rückkopplungssignale,
wobei ein linearer Zusammenhang zwischen der Pulsbreite des Dreiecksignals
und der Ansteuerung des Komparators entsteht. Das digitale Ausgangssignal
des jeweiligen Komparators 102, 102' an dem Ausgang 146, 146' desselben wird
in den Eingang 144, 144' des jeweiligen Puffers 104, 104' eingespeist
und durch denselben verstärkt.
Die Ausgangssignale der Puffer 104, 104' stellen die
jeweiligen Ausgangssignale OUT1 und OUT2 der Teilverstärker bzw.
des Verstärkers
dar. Die Ausgangssignale OUTl, OUT2 werden durch das Filter 120 gefiltert,
um die Schaltsignalanteile, die die Schaltfrequenz bzw. Harmonische
der Schaltfrequenz aufweisen, aus dem Nutzsignal herauszufiltern.
Nach dem Filter 120 werden die gefilterten Ausgangssignale
zu der Last 118 geliefert, die vorzugsweise eine abgeschlossene
xDSL-Leitung ist.
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Es sei bemerkt, dass bei einer Alternative
der Erfindung der Komparator 102, 102' selbst ein
Komparator mit großer
Treiberstärke
sein kann, so dass auf den jeweiligen Puffer 104, 104' verzichtet
werden kann, der üblicherweise
die digitalen Ausgangssignale der Komparatoren 102, 102' verstärkt. Die
Komparatoren 102, 102' können also alternativ Komparatoren
mit einer höheren
Treiberkraft sein.
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2 zeigt
das Frequenzspektrum eines Ausgangssignals des Verstärkers von 1 in Abhängigkeit von der Frequenz f.
Die Schaltfrequenz des Verstärkers
beträgt
etwa 16 MHz. In
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2 ist
deutlich zu erkennen, dass die Grundschwingung der Schaltfrequenz
durch den synchronen Betrieb der Teilverstärker nicht in dem Ausgangssignal,
also bei 16 MHz, auftritt. Erst bei der ersten harmonischen Frequenz
von 32 MHz der ersten Oberschwingung sind Signalanteile zu erkennen. Im
Bereich um 500 kHz ist das Nutzsignal zu sehen.
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Die Erfindung liefert einen Verstärker, der
im Vergleich zu dem Verstärker
in 3 ein wesentlich einfacheres
Gegenkopplungsnetzwerk verwendet, auf eine kapazitive Kopplung zwischen
den Teilverstärkern
verzichten kann, über
einen weiten Amplitudenbereich linear arbeitet und ein gutes Frequenzverhalten
aufweist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben
ist, ist dieselbe nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art
und Weise modifizierbar. Der Verstärker gemäß der Erfindung kann beispielsweise
für Audiosignale
verwendet werden und ist allgemein für das Treiben eines Signals
in eine Leitung geeignet, um das Signal mit einer ausreichenden
Leistung für
an die Leitung angeschlossene Lasten zu versehen.
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- 102
- Komparator
- 104
- Puffer
- 110
- Ausgangsknoten
des Verstärkers
- 112
- Gegenkopplungsnetzwerk
- 114
- Signalgenerator
- 116
- Signalquelle
- 118
- Last
- 120
- Filter
- 122
- erster
Eingang von 102
- 124
- zweiter
Eingang von 102
- 126
- Ausgang
von 114
- 128
- Eingang
von 114
- 130
- erster
Ausgang von116
- 132
- zweiter
Ausgang von 116
- 134
- dritter
Ausgang von 116
- 136
- erster
Eingang von 112
- 138
- Ausgang
von 112
- 140
- zweiter
Eingang von 112
- 142
- Ausgang
von 104
- 144
- Eingang
von 104
- 146
- Ausgang
von 102
- 148
- Eingang
von 120
- 302
- Komparator
- 304
- Puffer
- 306
- Schleifenfilter
- 308
- kapazitive
Kopplung
- 310
- Ausgangsknoten
des Verstärkers