-
Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung einer
Versorgungsspannung.
-
Bei
Sensorsystemen, die einen bestimmten physikalischen Zustand messen
und diesen dann an einen Empfänger
zur weiteren Verarbeitung senden, können für den Sender bzw. für den Sensor
verschiedene Versorgungsspannungen erforderlich sein. So benötigt beispielsweise
eine Senderstufe in einem Drucküberwachungssystem
für Fahrzeugreifen
eine Versorgungsspannung von 2,1 Volt. Für den dazugehörigen Drucksensor
ist jedoch eine Versorgungsspannung von 2,5 Volt notwendig. Wird
der Sender mit einer Versorgungsspannung von 2,5 Volt gespeist,
führt dies
im Sender zu einem erhöhten Stromverbrauch.
Es ist daher zweckmäßig, eine
Versorgungsspannung von 2,1 Volt für den Sender zu wählen und
diese Spannung durch eine zusätzliche Schaltung
zu erhöhen,
um die Funktionsfähigkeit
des Sensors zu gewährleisten.
-
Mögliche Ausführungen
für solche
Schaltungen sind niederfrequente "Step up"-Schaltnetzteile oder "Charge-Pump"-Systeme. Solche
Schaltungen erhöhen,
meist durch Beladen eines Kondensators, die Versorgungsspannung
auf die für
den Sensor benötigte
Spannung. Der Nachteil einer solchen Schaltung ist ein erhöhter Platzbedarf
und höhere
Kosten, die der Forderung nach einer hohen Integrationsdichte und
günstiger
Massenproduktion entgegenstehen.
-
Somit
stellt sich für
die Erfindung die Aufgabe, eine Anordnung vorzusehen, mit der in
einfacher Weise eine Versorgungsspannung erhöht werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Es
ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die einen Sender für ein Signal
enthält,
der eine Verstärkungseinrichtung
aufweist, die mit einem Versorgungseingang für eine Versorgung mit einem
ersten Versorgungspotential, mit einem Anschluss für ein Bezugspotential,
mit einem Signaleingang und mit einem Signalausgang ausgebildet
ist. Die Schaltungsanordnung enthält eine Antenne, die mit dem Signalausgang
der Verstärkungseinrichtung
des Senders gekoppelt ist. Desweiteren weist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
eine Anordnung mit einem Versorgungseingang und mit einem Anschluss
für das
Bezugspotential auf, wobei die Anordnung für eine Versorgung mit einem
zweiten Versorgungspotential an dem Versorgungseingang ausgebildet
ist, das größer als
das erste Versorgungspotential ist. Schließlich enthält die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ein Mittel zur Spannungsgleichrichtung, das einen Eingang und einen
Ausgang aufweist und eingangsseitig mit dem Signalausgang der Verstärkungseinrichtung
des Senders und ausgangsseitig mit dem Versorgungseingang der Anordnung
gekoppelt ist.
-
Bei
dieser Schaltungsanordnung wird ein zu sendendes HF-Signal am Ausgang
der Verstärkungseinrichtung
in eine gleichgerichtete Spannung gewandelt und für eine Versorgung
einer weiteren Anordnung verwendet. Der Begriff der Spannung bezeichnet
die Differenz zweier Potentiale, eine Versorgungsspannung ist die
Differenz des Versorgungspotentials und eines Bezugspotentials.
Da die Anordnung für
eine Versorgung mit einem zweiten Versorgungspotential größer als
das erste Versorgungspotential ausgebildet ist, ist bei gleichem
Bezugspotential die für
einen Betrieb der Anordnung benötigte zweite
Versorgungsspannung größer als
die erste Versorgungsspannung.
-
Die
Spannung eines HF-Signals am Ausgang der Verstärkungseinrichtung ergibt sich
aus der Differenz des Potentials des HF-Signals und dem Bezugspotential. Da
die Spannungsamplituden der HF-Spitzenwerte je nach Betriebsweise
und Anpassung der Verstärkungseinrichtung
bis zu dem Fünffachen
der Versorgungsspannung der Verstärkungseinrichtung betragen
können,
ist am Ausgang des Mittels zur Spannungsgleichrichtung eine gleichgerichtete
Spannung abgreifbar, die deutlich höher als die erste Versorgungsspannung
ist.
-
Es
werden mit dem Ausgang des Mittels zur Spannungsgleichrichtung Anordnungen
gekoppelt, die eine höhere
Versorgungsspannung benötigen. Die
Verstärkungseinrichtung
verstärkt
das Funksignal in einem ausreichenden Maß, so daß nach einer Gleichrichtung
durch das Mittel die Summe aus gleichgerichteter Spannung am Ausgang
des Mittels und aus erster Versorgungsspannung so groß wie die zweite,
für die
Anordnung notwendige Versorgungsspannung ist. Der Versorgungseingang
der Anordnung ist mit dem Ausgang des Mittels und mit der ersten
Versorgungsspannung gekoppelt, so daß die Summe aus gleichgerichteter
Spannung und erster Versorgungsspannung die zweite Versorgungsspannung
ergibt. Ist der Leistungsverbrauch einer mit dem Mittel zur Spannungsgleichrichtung
gekoppelten Anordnung gering, wird dem eigentlichen HF-Signal kaum
Energie entzogen und nur gering gedämpft. Ein fehlerfreies Übertragen
des Funksignals ist weiterhin möglich.
-
Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn die Verstärkungseinrichtung
des Senders in einem Betriebsmodus betrieben wird, bei dem die durch
das Mittel zur Spannungsgleichrichtung gleichgerichtete Spannung
am Ausgang des Mittels mindestens genauso groß wie die von einer Anordnung
benötigte
zweite Versorgungsspannung ist. Dadurch ist es möglich, den Versorgungseingang
der Anordnung direkt mit dem Ausgang des Mittels zu verbinden. Ein
solcher Betriebsmodus ist vorteilhaft der Klasse E oder der Klasse
C-E Betriebsmodus eines Verstärkers.
-
Es
ist in diesem Zusammenhang sinnvoll, wenn die Verstärkungseinrichtung
des Senders in einem nicht linearen Betriebsmodus betrieben wird.
In einem solchen Betriebsmodus nimmt die Spannungsamplitude des
HF-Signals am Signalausgang der Verstärkungseinrichtung deutlich
höhere
Werte als die Versorgungsspannung der Verstärkungseinrichtung an. Am Ausgang
des Mittels zur Spannungsgleichrichtung ist eine abgreifbare Spannung
ebenfalls deutlich größer als
die Versorgungsspannung.
-
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, wenn die Verstärkungseinrichtung
einen Bipolartransistor aufweist, dessen Emitteranschluss mit dem
Anschluss für
das Bezugspotential gekoppelt ist und dessen Kollektoranschluss
eine Verbindung zu der Antenne sowie zu dem ersten Versorgungspotential
aufweist und ferner mit dem Eingang des Mittels zur Spannungsgleichrichtung
verbunden ist. Der Bipolartransistor hat eine Verbindung zu der ersten
Versorgungsspannung. Alternativ kann die Verstärkungseinrichtung auch einen
MOS-Feldeffekttransistor
aufweisen, dessen Source-Anschluss mit dem Anschluss für das Bezugspotential
und dessen Drain-Anschluss
mit der Antenne sowie mit dem ersten Versorgungspotential gekoppelt
ist. Weiterhin ist der Drain-Anschluss mit dem Mittel zur Spannungsgleichrichtung
verbunden.
-
Damit
bildet der Signalausgang der Verstärkungseinrichtung für das Funksignal
gleichzeitig den Versorgungseingang für das Versorgungspotential. Zusätzlich wird
in dieser Ausgestaltung vorteilhaft das gleichgerichtete HF-Potential
auf das Versorgungspotential der Verstärkungseinrichtung addiert. Wenn
das Bezugspotential des HF-Signals und der Versorgung gleich groß sind,
werden vorteilhaft die Spannungen addiert. Am Ausgang des Mittels
ist daher die Summe aus Versorgungsspannung und gleichgerichteter
Spannung abgreifbar.
-
Eine
Ausgestaltungsform des Mittels zur Spannungsgleichrichtung besteht
in der Ausbildung mit zumindest einer Diode sowie mit einem Ladungsspeicher,
der mit dem Ausgang des Mittels und mit dem Bezugspotential gekoppelt
ist. Dieser Ladungsspeicher glättet
die gleichgerichtete Spannung. Dabei kann zweckmäßigerweise der Ladungsspeicher auch
als wiederaufladbare Batterie ausgebildet sein. Dadurch ist eine
längere
Speicherung möglich,
so daß eine
mit dem Ausgang verbundene Anordnung auch dann betrieben werden
kann, wenn kein Sendebetrieb vorliegt.
-
Es
ist ferner zweckmäßig, wenn
die Antenne und der Ausgang der Verstärkungseinrichtung über ein
Anpaßnetzwerk
miteinander verbunden sind. Die Ausgangsleistung und die Effizienz
der Verstärkungseinrichtung
werden mit dem Anpaßnetzwerk deutlich
erhöht.
-
Zusätzlich Platz
und Kosten können
gespart werden, wenn die zumindest eine Diode des Mittels zur Spannungsgleichrichtung
mit der Verstärkungseinrichtung
auf einem integrierten Baustein ausgebildet sind.
-
In
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung als Schaltung
zur Erzeugung von Informationen ausgebildet, die einen Ausgang aufweist, der
mit dem Signaleingang der Verstärkungseinrichtung
gekoppelt und an dem ein Signal mit der erzeugten Information abgreifbar
ist. Die Signale selbst können
sowohl analoge wie auch digitale Signale sein. So ist in einer Weiterbildung
die Anordnung ein Sensor zum Messen physikalischer Eigenschaften.
Die gemessenen Werte werden als Signale dem Signaleingang der Verstärkungseinrichtung
zugeführt.
-
Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann besonders zweckmäßig in einem
Luftdrucküberwachungssystem
für Reifen
eingesetzt werden.
-
Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme
der Zeichnungen im Detail erläutert.
Es zeigen:
-
1 ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
-
2 ein zweites Ausführungsbeispiel,
-
3 ein Diagramm, das die
Abhängigkeit der
zweiten Versorgungsspannung von der ersten Versorgungsspannung zeigt.
-
1 zeigt einen integrierten
Baustein IC, der Teil eines Senders ist. Der Baustein IC weist einen
NPN-Bipolartransistor T und eine Diode D auf. Der Transistor T ist
der Endstufentransistor einer Verstärkungseinrichtung. Der Emitter
des NPN-Transistors T ist mit einem Bezugspotential, in diesem Fall mit
der Masse verbunden. Die Basis des Transistors T bildet einen Signaleingang.
Der Kollektor des Transistors T weist eine Verbindung zu dem Signalausgang
A der Verstärkungsschaltung
IC und zur Anode der Diode D auf. Die Kathode der Diode D führt zu dem
Ausgang A' der integrierten
Verstärkungseinrichtung
IC. Dieser Ausgang A' bildet
einen Versorgungspotentialanschluss und versorgt eine Schaltung
S mit dem für
den Betrieb notwendigen Versorgungspotential. Die Versorgungsspannung
der Schaltung S ist die Differenz eines anliegenden Potentials an
dem Anschluss und einem Bezugspotential, das an dem Bezugspotentialanschluss
der Schaltung S anliegt. Zwischen der Schaltung S und dem Ausgang
A' ist ein Kondensator
C1 geschaltet, dessen andere Seite mit Masse verbunden ist.
-
Der
Signalausgang A der Verstärkungsschaltung
ist über
eine Spule L1 und einen Koppelkondensator K1 mit der Antenne AN
verbunden. Die Kondensatoren C2 und C3 sind mit einer Seite mit dem
Ausgang A und der Spule L2 bzw. der Spule L1 und dem Koppelkondensator
K verbunden und mit der anderen Seite mit dem Massepotential verbunden.
Der jeweils andere Anschluss der Kondensatoren C2 und C3 ist auf
Masse gelegt.
-
Weiterhin
sind der Kollektor des Transistors T, der zum Ausgang A führt und
der Ausgang A über eine
Spule L2 mit einem Versorgungspotential VC gekoppelt. Ein Kondensator
C4 ist mit der Spule L2 und der Masse verbunden. Der Signalausgang
A bildet daher gleichzeitig einen Versorgungseingang AV zur Versorgung
des Transistors T.
-
Die
Kondensatoren C2, C3 sowie der Koppelkondensator K1 und die Spule
L1 bilden ein Anpaßnetzwerk,
um die Ausgangsimpedanz der integrierten Schaltung IC auf die Eingangsimpedanz
der Antenne anzupassen. Der Transistor T, der in Emitterschaltung
aufgebaut ist, verstärkt
ein an der Basis angelegtes moduliertes Signal und gibt dieses am Kollektorausgang
aus. Das so verstärkte
HF-Signal wird über
die Antenne ausgesendet. Durch die Spule L2 und den Kondensator
C4 werden hochfrequente Signalanteile gedämpft und ein Rückfluß auf das
Versorgungspotential verhindert. Gleichspannungssignale werden hingegen
durch die als Drossel arbeitende Spule L2 weniger gedämpft.
-
Im
folgenden bedeutet der Verwendung des Begriffs einer Spannung am
Ausgang A' die Differenz zwischen
dem Potential am Ausgang A' und
dem Massepotential.
-
Wenn
an der Basis des Transistors T ein Hochfrequenzsignal als Eingangssignal
anliegt und am Emitter das verstärkte
Signal abgreifbar ist, so arbeitet die Diode D als Gleichrichter
und erzeugt am Ausgang A' eine
gleichgerichtete Spannung. Dies erfolgt dadurch, daß die Diode
D die negative Halbwelle des verstärkten HF-Signals unterdrückt, während sie
die positive Halbwelle durchläßt. Somit
liegt am Ausgang A' jeweils
die positive Halbwelle des verstärkten
HF-Signals abzüglich
der Durchlaßspannung
für die
entsprechende Diode an. Zu dieser Halbwelle addiert sich noch der
Gleichspannungsanteil der Versorgungsspannung VC, so daß die gesamte
am Ausgang A' abgreifbare
Spannung sich bei Vernachlässigung
der Durchlaßspannung
der Diode D aus der Summe der Versorgungsspannung VC und der Spannung
der Halbwellen ergibt.
-
Die
Amplitude der gesamten Spannung am Ausgang A' ist zwar aufgrund der Diodengleichrichtung
zeitabhängig,
ist aber durch einen Effektivwert gekennzeichnet, der auch quadratischer
Mittelwert genannt wird. Um eine einwandfreie Funktion einer am
Ausgang A' angeschlossenen
Schaltung S zu gewährleisten,
sollte der Effektivwert daher mindestens genauso groß wie die
für die
Schaltung S benötigte Versorgungsspannung
sein.
-
Der
Kondensator C1 glättet
die gleichgerichtete Spannung und dient gleichzeitig als Ladungsspeicher.
Dadurch ist es möglich,
die Schaltung S auch dann noch kurzfristig mit einer ausreichenden Spannung
zu versorgen, wenn der Transistor T kein Signal verstärkt. Wenn
die HF-Verstärkung
des Transistors T sehr groß ist,
ist die Amplitude einer Halbwelle des verstärkten HF-Signals deutlich größer als die
Versorgungsspannung VC. Somit ist eine gleichgerichtete Spannung
am Ausgang A' ebenfalls
deutlich größer, und
auf eine zusätzlich
Addition der Versorgungsspannung VC kann verzichtet werden.
-
In
dieser Ausführungsform
ist der Endstufentransistor T sowie die gleichrichtende Diode D
Teil eines integrierten Bausteins IC. Dieser integrierte Baustein
bildet die Verstärkungseinrichtung
für das
zu sendende Signal. Falls am Ausgang A' keine Schaltung S, also keine Ohm'sche Last angeschlossen
ist, arbeitet der Verstärker
IC in seiner normalen Weise und die Diode D hat keinerlei Auswirkungen
auf das HF-Signal am Ausgang A. Ist der Ausgang A' mit einem Widerstand
verbunden, so sinkt am Ausgang A die HF-Leistung etwas ab, da die
Diode D einen Teil der HF-Energie in eine gleichgerichtete Spannung umwandelt
und die Last am Ausgang A' Leistung
verbraucht. Diese Verlustleistung ist um so größer, je geringer der Widerstand
der Schaltung S am Ausgang A' ist,
also je mehr Strom durch die Diode fließt.
-
Ein
solch integrierter Verstärker
IC läßt sich in äußerst platzsparender
und kostengünstiger
Weise in bereits vorhande ne Designs implementieren. Zudem läßt sich
die Erfindung nicht nur mit Bipolartransistoren, sondern auch in
MOS-Schaltungstechnik
realisieren. In diesem Fall ist die Diode D mit dem Drain-Kontakt
des MOS-Transistors verbunden. Über den
Gate-Kontakt des MOS-Transistors wird das zu verstärkende HF-Signal eingespeist.
Auch hier ist eine integrierte Bauweise denkbar.
-
Ein
konkretes Ausführungsbeispiel
mit einem MOS-Transistor ist in 2 zu
sehen. Der Unterschied zur Ausführung
in 1 besteht ferner
darin, daß die
Diode D nicht Bestandteil des integrierten Bausteins IC, sondern
mit dem Ausgang A gekoppelt ist. Die Schaltung der 2 wurde mit den angegebenen Werten realisiert
und erzeugt am Ausgang A' eine
von der Versorgungsspannung VC und dem verstärkten HF-Signal abhängige zweite
Versorgungsspannung VCD.
-
Die
Abhängigkeit
der erzeugten zweiten effektiven Versorgungsspannung VCD von der
Versorgungsspannung VC ist der 3 zu
entnehmen. Dabei wird ein sinusförmiges
Signal an die Basis des Transistors T gelegt und dieses verstärkt. Die
Spannung VCD wird im Leerlauf, also bei nicht angeschlossenem Widerstand
gemessen. Der Abgriff erfolgt am Ausgang A', und die Spannung VCD ergibt sich aus
der Differenz des dortigen Potentials und dem Massepotential.
-
In
diesem Leerlauf werden keine Verluste erzeugt, d. h. die HF-Ausgangsleistung
am Ausgang A liegt in der gleichen Größenordnung wie ohne angebrachte
Diode am Kollektor. Die Ausgangsspannung am Ausgang A' beträgt, wie
in dem Diagramm zu sehen das 1,6 bis 1,7-fache der Versorgungsspannung.
-
Wird
bei einer Versorgungsspannung VC von 3 Volt der Ausgang der Schaltung
A' mit einem Widerstand
von 4,7 Kiloohm belastet, reduziert sich in dieser Ausführungsform
die Ausgangsleistung der Antenne um weniger als 0,5 dB. Gleichzeitig
geht die Spannung VCD von 5,3 Volt auf ca. 4,2 Volt zurück. Der Belastungsstrom über diesen
Widerstand beträgt ca.
0,9 mA. Somit läßt sich
am Ausgang A' eine Schaltung
mit hohem Eingangswiderstand anbringen, die mit einer Spannung größer als
der ersten Versorgungsspannung VC versorgt wird, ohne daß dabei
die Ausgangsleistung der Antenne merklich abnimmt. Je höher die
HF-Verstärkung
des Transistors T bei der Versorgungsspannung VC ist, desto größer wird
das am Ausgang A' abgreifbare
zweite Spannung VCD.
-
- IC
- Verstärkungseinrichtung
- T,
T1
- Transistor
- A,
A'
- Ausgänge
- AV
- Versorgungseingang
- ME
- Masseanschluss
- VC,
VCD
- Versorgungspotentiale
- C1,
..., C4
- Kondensator
- L1,
L2
- Spule
- K1
- Kondensator
- S
- Verbraucheranordnung
- D
- Diode
- AN
- Antenne