DE10339055A1 - Regelkreis mit einer Verstärkeranordnung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Regelkreis mit einer Verstärkeranordnung.
- In der Nachrichtentechnik, insbesondere der Hochfrequenz-Signalverarbeitung, ist häufig die Aufgabenstellung anzutreffen, aus einem variablen Eingangspegel einen definierten Ausgangspegel zu erzeugen. Hierfür werden normalerweise Verstärker mit einstellbarer Verstärkung eingesetzt, welche auch als Variable Gain Amplifier, VGA, bezeichnet werden.
- Derartige VGA können entweder eine dB-lineare oder eine spannungslineare Kennlinie haben, wobei letztere dadurch gekennzeichnet sind, daß sie einen Verstärkungsfaktor haben, der linear in Bezug auf eine Führungsgröße, nämlich eine Steuerspannung, ist.
- In der Druckschrift von Alan Grebene: "Bipolar And MOS Analog Integrated Circuit Design", ISBN 0-471-08529-4 ist auf Seite 446 in
8.36 ein Beispiel für eine übliche VGA-Architektur gezeigt. Der dort gezeigte, breitbandig ausgelegte sogenannte AGC-, Automatic Gain Control-, Verstärker beruht auf der Struktur einer sogenannten Gilbert-Multiplizierer-Zelle. Dabei sind zwei Differenzverstärkerzellen vorgesehen, die steuerseitig parallel geschaltet sind, wobei an dem so gebildeten differenziellen Eingang die gewünschte Verstärkung als Führungsgröße angelegt wird. Die Fußpunkte der beiden Differenzverstärkerzellen sind an Ausgänge eines weiteren Differenzverstärkers gelegt, der ebenfalls Steuereingänge hat, die einen differenziellen Eingang für ein zu verstärkendes Signal haben. An den miteinander geeignet verschalteten Ausgängen der beiden Differenzverstärkerzellen kann ein ebenfalls differenziell vorliegendes, verstärktes Ausgangssignal abgeleitet werden. Mit anderen Worten wird ein an die Steuereingänge der Transistoren des Differenzverstärkers im Fußpunkt angelegtes hochfrequentes Eingangssignal im Quartett der vier Transistoren der Differenzverstärkerzellen umgesteuert. Dabei wird ein variabler Signalstromanteil aus je einem Transistor der beiden Differenzverstärkerzellen auf eine elektrische Last geleitet, während die übrigen Teilströme der jeweils anderen Differenzverstärkerzellen-Transistoren direkt auf Versorgungspotential geleitet und damit verworfen werden. Die Ansteuerung einer solchen Struktur mit einer Führungsgröße erfolgt üblicherweise mit einem sogenannten VGA-Buffer, und zwar so, daß dort die Transistoren der Differenzverstärkerzellen nachgebildet und als Dioden verschaltet werden, um über einstellbare Ströme an ihren Diodenkennlinien Spannungen zu erzeugen, die wiederum als Führungsgröße, nämlich als Steuerspannung für die Verstärkung des Verstärkers mit variabler Verstärkung dienen. Die einzustellenden Ströme wiederum werden mit einer Führungsspannung UGC, Gain Control Voltage, gesteuert. Eine derartige Buffer-Struktur selbst besitzt eine hyperbolische Übertragungsfunktion, verursacht durch die Strom-Spannungs-Umsetzung an den Diodenkennlinien der nachgebildeten Transistoren. Wenn ein lineares Verhalten des Verstärkungsfaktors gewünscht ist, so ist dies näherungsweise nur in einem schmalen, mittleren Arbeitsbereich möglich. - Um dennoch einen hohen Dynamikbereich zu erzielen, könnte man einen VGA mehrstufig ausführen. Damit wäre jedoch der Nachteil eines hohen Flächenverbrauchs bei Ausführung in integrierter Schaltungstechnik mit einem ebenfalls nachteilhaften, hohen Stromverbrauch verbunden. Bei der erläuterten, einstufigen Ausführung hingegen besteht der Nachteil, daß bei einer hohen Dynamikanforderung die vier Transistoren der beiden Differenzverstärkerzellen des Gilbert-Multiplizierers in einem sehr weiten Bereich umgesteuert werden müssen. Damit müssen auch die diesen Transistoren nachgebildeten Dioden im VGA-Buffer in einem weiten Bereich umgesteuert werden. Wenn dabei eine hohe Dämpfung des hochfrequenten Eingangssignals gewünscht ist, müssen die Ausgangstransistoren und damit auch eine der diesen zugeordneten Dioden im Buffer nahezu stromlos werden. In diesem nahezu stromlosen Betriebszustand führen jedoch Fertigungsschwankungen bei der Herstellung integrierter Schaltkreise sowie Temperaturschwankungen zu besonders großen Änderungen für den gewählten Verstärkungsfaktor. Bei logarithmischer Betrachtung der Verstärkung wirkt sich dieses nachteilhafte Verhalten so aus, daß ein korrektes Einstellen einer niedrigen Verstärkung praktisch nicht mehr möglich ist. Geht der Verstärkungsfaktor gegen Null, so geht die Verstärkung praktisch gegen minus unendlich. Ein noch weiterer Nachteil der beschriebenen, bekannten Struktur ist es, daß die Dioden im VGA-Buffer die gleiche Stromdichte aufweisen müssen wie das Quartett der Transistoren der Differenzverstärkerzellen. Soll der VGA hohe Ausgangsleistungen ermöglichen, so liegt der größte Stromanteil des VGA-Buffers in den beiden erwähnten Transistordioden.
- Es kann wünschenswert sein, einen Regelkreis mit Verstärker so auszubilden, daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers proportional zu einer Führungsgröße ist. Die minimale und die maximale Verstärkung wird bei einem solchen Regelkreis von dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor bestimmt. Dabei kann das Problem auftreten, daß ein solcher linearer Verstärkungsfaktor bis zum minimal einstellbaren Verstärkungsfaktor verläuft und, wenn man die Verstärkung bei logarithmischem Verstärkungsfaktor betrachtet, zu einer sehr hohen Verstärker-Steilheit führen kann. Wenn der Verstärkungsfaktor gegen 0 strebt, so geht die Verstärkung gegen minus unendlich. Dabei können Steilheiten von mehreren 100 dB pro Volt auftreten. Die unerwünschte Folge wäre ein starker Durchgriff von Störungen wie Rauschen am Steuereingang des Verstärkers auf den eingestellten Verstärkungsfaktor. Damit wäre der Nachteil verbunden, daß beim Einstellen sehr kleiner Verstärkungsfaktoren, also hohen Dämpfungen, große Schwankungen der Verstärkung bei Störungen am Führungsgrößeneingang des Reglers auftreten würden.
- Eine ähnliche Problematik könnte sich am Maximum der einstellbaren Verstärkung der Verstärkungsfaktor-Kennlinie ergeben. Wenn eine Verstärkerschaltung mit spannungslinearer Verstärker-Kennlinie gefordert ist, so ergibt sich im Bereich des Maximums der Verstärkung ein Knick der Kennlinie, der unerwünscht ist. Wird ein Verstärker mit derartiger Kennlinie beispielsweise in einem Mobilfunksender zur Einstellung der Sendeleistung verwendet, entstehen zwangsläufig sogenannte Schalt-Transienten aufgrund der beschriebenen Eigenschaft der Verstärker-Kennlinie. Diese Schalt-Transienten sind unerwünschte, spektrale Energieanteile, die beim Variieren der Verstärkung entlang der Kennlinie erzeugt werden.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Regelkreis mit einer Verstärkeranordnung anzugeben, der eine spannungslineare Kennlinie aufweist und dennoch in den Randbereichen der Verstärker-Kennlinie, das heißt im Bereich der minimal und/oder maximal einstellbaren Verstärkung, verbesserte Eigenschaften bezüglich Störsignalen hat.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Regelkreis mit einer Verstärkeranordnung, umfassend
- – die Verstärkeranordnung mit einem Hochfrequenzsignaleingang, mit einem Ausgang zum Abgreifen eines verstärkten Signals, mit einem Eingang zum Einstellen der Verstärkung und mit einem Zusatzausgang zum Bereitstellen eines die Verstärkung der Verstärkeranordnung repräsentierenden Signals,
- – eine Verknüpfungseinheit mit einem ersten Eingang, der an den Zusatzausgang angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang zum Zuführen eines Schwellwertes und mit einem Ausgang, und
- – einen Regelverstärker, der den Ausgang der Verknüpfungseinheit mit dem Eingang zum Einstellen der Verstärkung koppelt und der die Verstärkung der Verstärkeranordnung regelt.
- Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip wird eine Schwelle eingeführt, die mit dem Ausgangssignal des Verstärkers, welches dessen Verstärkung repräsentiert, verknüpft wird. Die Verknüpfung erfolgt so, daß ein Kennlinienknick der Verstärker-Kennlinie am Minimum und/oder Maximum der einstellbaren Verstärkung des Verstärkers einen weicheren Übergang hat, das heißt, daß die Steilheit der Verstärker-Kennlinie im Bereich des Minimums und/oder Maximums der einstellbaren Verstärkung verringert ist.
- Die Verknüpfung des Schwellwertes mit dem die Verstärkung der Verstärkeranordnung repräsentierenden Signal im Regelkreis kann mit Vorteil beispielsweise derart erfolgen, daß die Verknüpfungseinheit ein Subtrahierglied und ein Addierglied umfaßt, daß der Zusatzausgang mit je einem Eingang des Addiergliedes und des Subtrahiergliedes verbunden ist, daß ein weiterer Eingang des Subtrahiergliedes zur Zuführung des Schwellwerts ausgebildet ist, daß der Ausgang des Subtrahiergliedes mit einem weiteren Eingang des Addiergliedes gekoppelt ist und daß der Ausgang des Addiergliedes mit einem Eingang des Regelverstärkers gekoppelt ist.
- Dabei wird mit Vorteil im Subtrahierglied eine Differenz zwischen dem die Verstärkung der Verstärkeranordnung repräsentierenden Signal und dem Schwellwert gebildet. Diese Differenz wird, gegebenenfalls gewichtet, einem Eingang des Addierers zugeführt und dort mit dem die Verstärkung der Verstärkeranordnung repräsentierenden Signal verknüpft.
- Um die Steilheit der Verstärker-Kennlinie im Bereich minimaler Verstärkung zu reduzieren und einen dortigen Kennlinienknick somit zu vermeiden, ist mit Vorteil der Subtrahierer so ausgeführt, daß von dem Schwellwert der die Verstärkung des Verstärkers repräsentierende Wert abgezogen wird.
- Bevorzugt ist der Subtrahierer, um im Maximum der Verstärker-Kennlinie die Steilheit derselben zu reduzieren und somit ei nen Knick im Maximum der Verstärker-Kennlinie zu vermeiden, so ausgeführt, daß der Schwellwert von dem die Verstärkung des Verstärkers repräsentierenden Signal abgezogen wird. Zusätzlich ist hierbei der Addierer mit einem invertierenden Eingang ausgebildet, derart, daß das im Subtrahierglied gebildete Signal, gegebenenfalls gewichtet, von dem die Verstärkung der Verstärkeranordnung repräsentierenden Signal abgezogen wird.
- Die Gewichtung des Signals am Ausgang des Subtrahiergliedes kann in beiden beschriebenen Fällen bevorzugt durch einen Verstärker mit vorbestimmtem Verstärkungsfaktor erzielt werden.
- Selbstverständlich kann im Rahmen des vorgeschlagenen Prinzips die bevorzugte Ausführung der Verknüpfungseinheit mit Subtrahierer und Addierglied doppelt ausgeführt werden, wobei eine Verknüpfungseinheit so ausgebildet ist, daß ein Knick am Maximum der Verstärkung der Verstärker-Kennlinie und mit einer zweiten Verknüpfungseinheit der Knick am Minimum der Kennlinie des Verstärkungsfaktors vermieden wird.
- Die Verstärkeranordnung im Regelkreis, die eine einstellbare Verstärkung hat, weist gemäß einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Prinzips auf:
- – eine Gilbert-Multipliziererschaltung mit zwei Eingängen, von denen ein Eingang zum Einstellen der Verstärkung und ein Eingang als Hochfrequenzsignaleingang dient, und mit dem Ausgang,
- – einen
Zusatztransistor mit einem Steueranschluß und einem Lastanschluß, der mit
dem Steueranschluß und
dem Lastanschluß eines Transistors
der Multipliziererschaltung verbunden ist, und mit einem weiteren
Lastanschluß,
der den Zusatzausgang der Verstärkeranordnung
bildet, zum Bereitstellen des die Verstärkung der Verstärkeranordnung
(
16 ) repräsentierenden Signals. - Mit dem Zusatztransistor wird ein kleiner Teil des Signalstroms abgezweigt, der wiederum proportional ist zum aktuell eingestellten Verstärkungsfaktor.
- Somit ist es möglich, den Verstärkungsfaktor der Verstärkeranordnung so einzustellen, daß bei hoher Dynamik ein stabiler Verstärkungsfaktor bei zugleich in weiten Bereichen spannungslinearer Kennlinie des Verstärkers gewährleistet ist.
- Da der Zusatztransistor an seinem Zusatzausgang stets ein Signal abgibt, welches den aktuellen Verstärkungsfaktor der gesamten Verstärkeranordnung repräsentiert, können mit zusätzlichem Vorteil problemlos auch Temperatur-Drift-Effekte sowie Fertigungsstreuungen bzw. deren Auswirkungen auf den Verstärkungsfaktor kompensiert werden.
- Die Gilbert-Multipliziererschaltung umfaßt bevorzugt zwei Differenzverstärkerzellen, deren Fußpunkte von einem weiteren Differenzverstärker angesteuert werden.
- Unter den Fußpunkten der beiden Differenzverstärkerzellen sind bevorzugt deren jeweils gemeinsame Emitter- bzw. Source-Anschlüsse verstanden.
- Der Zusatztransistor ist bevorzugt mit seinem Steueranschluß und einem seiner Lastanschlüsse mit dem Steueranschluß und einem der Lastanschlüsse eines Transistors eines der beiden Differenzverstärkerzellen der Gilbert-Multipliziererschaltung verbunden.
- In einer bevorzugten Weiterbildung umfaßt die Gilbert-Multipliziererschaltung einen ersten und einen zweiten Differenzverstärker mit je zwei Transistoren, deren Steueranschlüsse mit dem Eingang zum Einstellen der Verstärkung verbunden sind, und die Gilbert-Multipliziererschaltung umfaßt einen dritten Differenzverstärker mit je zwei Transistoren, deren Steueranschlüsse einen Hochfrequenz-Signaleingang der Verstärkeranordnung bilden, wobei den Transistoren des ersten und zweiten Differenzverstärkers je ein Zusatztransistor beziehungsweise ein weiterer Zusatztransistor zugeordnet ist.
- Gemäß der Weiterbildung sind bevorzugt insgesamt vier Zusatztransistoren vorgesehen, um eine höhere Symmetrie der gesamten Schaltung zu gewährleisten. Dabei sind die jeweils weiteren Lastanschlüsse der weiteren Zusatztransistoren bevorzugt mit Versorgungspotentialanschluß des Verstärkers verbunden. Lediglich an einem der Zusatztransistoren ist dabei, wie bereits erläutert, der Zusatzausgang der Verstärkeranordnung gebildet, an dem ein die Verstärkung der Verstärkeranordnung repräsentierendes Signal abgreifbar ist.
- Der Zusatztransistor und die weiteren Zusatztransistoren haben bevorzugt kleinere Abmessungen als die Transistoren des ersten und des zweiten Differenzverstärkers und sind demnach kleiner dimensioniert. Damit zweigen der Zusatztransistor und die weiteren Zusatztransistoren nur einen sehr geringen Teil des Signalstroms ab, so daß die Rückwirkungen der Zusatztransistoren auf die Verstärkeranordnung insgesamt gering bleiben.
- Mit Versorgungspotential sind die vier Transistoren des ersten und des zweiten Differenzverstärkers bevorzugt so verschaltet, daß je ein Transistor je eines Differenzverstärkers mit seinem Lastanschluß unmittelbar an das Versorgungspotential angeschlossen ist und je ein Lastanschluß eines weiteren Transistors im ersten und zweiten Differenzverstärker über eine elektrische Last an Versorgungspotential gelegt ist. Die beiden letztgenannten Transistoren bilden an den Verbindungsknoten zu der elektrischen Last den Signalausgang der Verstärkeranordnung. Der Zusatztransistor, an dem der Zusatzausgang der Verstärkeranordnung gebildet ist, ist bevorzugt einem derjenigen Transistoren der Differenzverstärker des Gil bert-Multiplizierers zugeordnet, an denen diese elektrische Last angeschlossen und der Signalausgang gebildet ist.
- Die elektrische Last ist bevorzugt als Impedanz ausgeführt, es kann aber auch eine rein Ohm'sche Last vorgesehen sein.
- Die Verstärkeranordnung ist bevorzugt in bipolarer Schaltungstechnik aufgebaut, wodurch unter anderem der Vorteil der guten Eignung für besonders hohe Signalfrequenzen gegeben ist.
- Insgesamt ist es folglich mit dem vorgeschlagenen Prinzip möglich, einen linearen Zusammenhang der Verstärkung eines Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung zu einer Steuerspannung im Bereich niedriger und hoher Verstärkung so zu kombinieren, daß im Bereich mit besonders hoher und besonders geringer Verstärkung die Steilheit gering bleibt und dennoch in einem weiten Bereich der lineare Zusammenhang der Kennlinie des Verstärkers erhalten bleibt. Dabei wird ein dem Verstärkungsfaktor proportionales Signal mittels der Verknüpfungseinheit so modifiziert, daß im Bereich minimaler bzw. maximaler Verstärkung ein hyperbolischer Verlauf, gegebenenfalls in mehreren Schritten, angepaßt wird.
- Wenn wie bevorzugt der Schwellwert als temperatur- und fertigungsstabiler Wert generiert wird, treten besonders geringe Streuungen des Verstärkungsfaktors im minimalen und/oder maximalen Verstärkungsbereich bezüglich Temperaturdrifts und Fertigungsstreuungen auf.
- Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen an mehreren Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines Regelkreises gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip, bei dem die Kennlinie im Bereich geringer Verstärkung eine reduzierte Steilheit hat, -
2 einen Schaltplan eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Regelkreises gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip, bei der die Verstärker-Kennlinie im Bereich maximal einstellbarer Verstärkung eine geringere Steilheit hat, -
3 ein Ausführungsbeispiel einer Verstärkeranordnung anhand eines Schaltbildes, wie sie in den Reglern gemäß1 oder2 einsetzbar ist, -
4 bis7 die Verringerung der Steilheit im Bereich minimaler Verstärkung der Kennlinie gemäß der Schaltung von1 anhand von Schaubildern, und -
8 bis10 anhand von Schaubildern die Verringerung der Steilheit der Kennlinie des Verstärkers im Bereich maximal einstellbarer Verstärkung gemäß der Schaltung von2 . -
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Regelkreises mit einer Verstärkeranordnung16 gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Verstärkeranordnung16 hat einen Hochfrequenzsignaleingang9 , einen Ausgang14 zum Abgreifen eines verstärkten, vom am Eingang9 anliegenden Signal abgeleiteten Signals, sowie einen Eingang10 zum Einstellen der Verstärkung und einen Zusatzausgang15 zum Bereitstellen eines die Verstärkung der Verstärkeranordnung16 repräsentierenden Signals. An den Hochfrequenzeingang9 des Verstärkers16 ist eine Signalquelle17 angeschlossen. Der Steuereingang10 des Verstärkers16 ist an den Ausgang eines herkömmlichen Operationsverstärkers18 gelegt, der vorliegend als Regelverstär ker arbeitet. Der Zusatzausgang15 des Verstärkers16 ist in einer negativen Rückkopplung über ein Addierglied23 auf einen invertierenden Eingang des Operationsverstärkers18 gelegt. Ein nicht-invertierender Eingang des Operationsverstärkers18 ist über eine Referenzspannungsquelle19 am Bezugspotentialanschluß20 angeschlossen. An einem Führungsgrößeneingang21 ist eine Führungsgröße für den Regelkreis in Form eines Soll-Spannungssignals VGC für die Verstärkung zuführbar. Dieser Führungsgrößeneingang21 ist über einen Widerstand22 , an dem die Führungsspannung VGC in einen proportionalen Strom IGC umgesetzt wird, mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers18 verbunden. - Das Addierglied
23 ist Teil einer Verknüpfungseinheit27 , welche auch ein Subtrahierglied25 und einen Verstärker26 umfaßt. Das Subtrahierglied25 hat einen ersten Eingang, an dem in Form eines Stromes, der von einer Stromquelle24 bereitgestellt wird, ein Schwellwert anliegt. Ein weiterer Eingang des Subtrahierglieds25 ist mit dem Zusatzausgang15 des Verstärkers16 verbunden. Der Subtrahierer25 bildet die Differenz des Schwellwert-Stromes und des am Zusatzausgang abgreifbaren Stroms I(gain), wobei der Differenzstrom am Ausgang des Subtrahierglieds25 stets größer 0 ist. Der Differenzstrom am Ausgang des Subtrahierglieds25 wird in einem nachgeschalteten Verstärker26 mit einem Verstärkungsfaktor K gewichtet. Der Ausgang des Verstärkers26 ist an einen Eingang des Addierglieds23 geführt, wobei das Addierglied23 einen weiteren Eingang hat, der ebenfalls mit dem Zusatzausgang15 des Verstärkers16 verbunden ist. - Mittels des von dem Temperaturdrift-frei und Fertigungsschwankungs-frei arbeitenden Stromgenerators
24 wird ein Schwell-Strom bereitgestellt. Der Strom B am Zusatzausgang15 , welcher proportional ist zum Verstärkungsfaktor des Verstärkers16 , der gerade eingestellt ist, wird subtrahiert vom Schwellstrom A. Schaltungsbedingt kann der Strom C am Ausgang des Subtrahierers25 nie kleiner 0 sein. Der Differenzstrom C am Ausgang des Subtrahierers25 wird mit einer Gewichtung versehen, vorliegend mit dem Verstärkungsfaktor 0,5. Das so gewonnene Ergebnis wird zum Strom am Zusatzausgang15 addiert und schließlich mit dem die Führungsgröße des Reglers repräsentierenden Strom IGC verknüpft. - Wie weiter unten anhand von Schaubildern näher erläutert wird, gestattet es der Regelkreis von
1 , eine spannungslineare Kennlinie des Verstärkers16 im Bereich geringer Verstärkung mit einem hyperbolischen Verlauf zu versehen. Dabei ist die Steilheit der Kennlinie im Bereich geringer Verstärkung verringert. Dennoch bleibt in weiten Bereichen der Verstärkung der lineare Zusammenhang zwischen Führungsgröße und Verstärkungsfaktor erhalten. Damit ist der Vorteil erzielt, daß Störungen am Steueranschluß21 des Regelkreises lediglich geringe Auswirkungen auf die Verstärkung haben. Zusätzliche Vorteile liegen im geringen Temperaturdrift der Schaltung, der insgesamt auch geringen Temperaturabhängigkeit des Regelkreises, einer geringen Variation der Verstärkung über Fertigungsschwankungen und einer geringen Variation der Verstärkung über Schwankungen der Versorgungsspannung. - Anstelle der gezeigten, einstufigen Reduzierung der Steilheit der Verstärkung kann diese auch in mehreren Schritten im Bereich der minimalen Verstärkung ausgeführt sein, so daß sich eine noch bessere Annäherung an einen hyperbolischen Verlauf der Kennlinie im Bereich besonders geringer Verstärkungsfaktoren ergibt.
-
2 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Regelkreises mit einer Verstärkeranordnung gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Schaltung von2 stimmt in den verwendeten Bauteilen, deren Funktion und deren vorteilhaftem Zusammenwirken weitgehend mit der von1 überein und wird an dieser Stelle insoweit nicht noch einmal beschrieben. Unterschiede liegen lediglich in der Ausführung des Subtrahier gliedes und des Addiergliedes, welche in2 mit Bezugszeichen25' ,23' versehen. - Das Subtrahierglied
25' ist so ausgebildet, daß an seinem Ausgang ein Strom abgegeben wird, der sich ergibt aus dem Strom B am Zusatzausgang15 vermindert um den Strom G, den der Stromgenerator24 bereitstellt. Der Strom H am Ausgang des Subtrahierglieds25' ist nie kleiner 0. Das Addierglied23' von2 hat einen invertierenden Eingang. Das bedeutet, daß das Signal am Ausgang des Verstärkers 26 dem Addierglied23' mit negativem Vorzeichen zugeführt wird. - Gemäß der Schaltung von
2 wird im Bereich der größten einstellbaren Verstärkung des Verstärkers16 die Kennlinie so modifiziert, daß ein Kennlinienknick der Verstärkung vermieden wird. Dabei ist die Steilheit der Kennlinie im Bereich größter einstellbarer Verstärkung verringert. Gemäß dem vorgeschlagenen Prinzip erfolgt das Erreichen des Maximums des Verstärkungsfaktors asymptotisch, so daß ein Knick im Verlauf der Kurve vermieden wird. Da die Stromquelle24' eine stabile Größe in Form eines Schwellstroms liefert, treten lediglich sehr geringe Streuungen des Verstärkungsfaktors bezüglich Fertigungsschwankungen und Temperaturschwankungen auf. Insbesondere ergibt sich der Vorteil, daß Schalttransienten reduziert sind. - Selbstverständlich können die Schaltungen von
1 und2 so miteinander kombiniert werden, daß die Verstärker-Kennlinie im Bereich minimaler Verstärkung und im Bereich maximaler Verstärkung eine geringere Steilheit mit den oben beschriebenen Vorteilen aufweist. -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Verstärkeranordnung16 , wie sie in1 und2 einsetzbar ist. Die Schaltung von3 beruht auf einer Gilbert-Multipliziererschaltung. Ein erster Transistor und ein zweiter Transistor1 ,2 sind emitterseitig miteinander verbunden und bilden einen ersten Differenzverstärker. Ein zweiter Differenzverstärker3 ,4 wird von ebenfalls emitterseitig verbundenen Transistoren3 ,4 gebildet. Die beiden Emitterknoten sind mit jeweiligen Kollektoranschlüssen weiterer Transistoren5 ,6 verbunden, welche einen dritten Differenzverstärker bilden. Hierbei sind die Emitteranschlüsse der Transistoren des dritten Differenzverstärkers5 ,6 miteinander verbunden und über eine Stromquelle7 an Bezugspotential8 angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistoren5 ,6 des dritten Differenzverstärkers bilden den symmetrischen Hochfrequenzsignaleingang9 der Verstärkeranordnung. Ein ebenfalls symmetrischer Eingang10 zum Einstellen des Verstärkungsfaktors der Verstärkeranordnung ist an den Basisanschlüssen der Transistoren1 ,2 ;3 ,4 des ersten und zweiten Differenzverstärkers gebildet. Hierfür sind die Basisanschlüsse der Transistoren1 und4 sowie die Basisanschlüsse der Transistoren2 und3 miteinander verbunden. Während die Kollektorausgänge der Transistoren2 und3 über eine elektrische Last11 ,12 an Versorgungspotential13 gelegt sind und zugleich den symmetrischen Signalausgang14 der Verstärkeranordnung bilden, sind die Kollektoranschlüsse der Transistoren1 und4 unmittelbar an Versorgungspotential13 angeschlossen. Somit ist eine als Verstärker ausgelegte Gilbert-Multiplziererschaltung gebildet. - Dem Transistor
2 im ersten Differenzverstärker1 ,2 ist ein Zusatztransistor2' zugeordnet, der mit dem Transistor2 in Basis- und Emitteranschlüssen verbunden ist. Der Kollektoranschluß des Zusatztransistors2' bildet einen Zusatzausgang15 , an dem ein Strom I abgreifbar ist, der proportional ist zur aktuellen Verstärkung der Verstärkeranordnung. Aus Symmetriegründen ist den übrigen Differenzverstärkertransistoren des ersten und zweiten Differenzverstärkers1 ,2 ,3 ,4 je ein weiterer Zusatztransistor1' ,3' ,4' zugeordnet, welche mit dem jeweils zugeordneten Transistor ebenfalls in Emitter- und Basisanschluß verbunden sind. Die Kollektoranschlüsse der weiteren Zusatztransistoren1' ,3' ,4' sind mit Versorgungspotentialanschluß13 verbunden. - Im Verhältnis zu den Transistoren
1 ,2 ,3 ,4 des ersten und zweiten Differenzverstärkers sind der Zusatztransistor2' und die weiteren Zusatztransistoren1' ,3' ,4' deutlich kleiner dimensioniert. - Das über dem Eingang
9 an die Transistoren5 und6 angelegte hochfrequente Eingangssignal wird im Quartett der Transistoren1 bis4 umgesteuert. Die Umsteuerung erfolgt in Abhängigkeit vom gewünschten Verstärkungsfaktor, der als Führungsgröße am Eingang10 anliegt. Dabei wird ein variabler Signalstromanteil aus den Transistoren2 und3 auf die hier als Beispiel resistive Last geleitet, die mit Bezugszeichen11 ,12 bezeichnet ist, der restliche Teilstrom aus den Transistoren1 und4 wird direkt auf VCC geleitet und damit verworfen. Außerdem ist ein Zusatztransistor2' sowie aus Symmetriegründen weitere Zusatztransistoren1' ,3' ,4' eingebracht. Der Strom I am Zusatzausgang15 ist proportional zum Verstärkungsfaktor. Die Transistoren1' ,3' ,4' sind nur aus Symmetriegründen vorhanden. Ihre Ströme werden direkt auf VCC geleitet. Die Zusatztransistoren bzw. weiteren Zusatztransistoren1' ,2' ,3' ,4' zweigen aufgrund ihrer kleineren Dimensionierung nur einen kleinen Teil des Signalstroms ab. - Am Zusatzausgang
15 steht ein verstärkungsfaktor-proportionaler Strom bereit, so daß problemlos Fertigungs- und Temperaturschwankungen des Verstärkungsfaktors erfaßt und gegebenenfalls wegkalibriert werden können. Damit ist ein stabil einstellbarer Verstärkungsfaktor erzielbar und zudem eine spannungslineare Verstärkerkennlinie möglich. Aufgrund der einstufigen Ausführung des gezeigten VGA ist der Betrieb des Verstärkers mit geringer Stromaufnahme gewährleistet. Zudem ergibt sich ein geringer Flächenbedarf, da nur ein einstufiger Verstärker benötigt wird und die Zusatztransistoren kleine Dimensionen haben. - Anstelle der gezeigten Ausführung in Bipolartechnik kann die Schaltung selbstverständlich auch in Metal Oxide Semiconductor-Schaltungstechnik implementiert werden.
-
4 bis7 zeigen die Funktion der Schaltung von1 , insbesondere der Verknüpfungseinheit27 , anhand von Schaubildern. Bei dem Schaubild von4 ist der konstante Schwellstrom der Stromquelle24 mit A bezeichnet, der Verstärkungsfaktor-proportionale Strom am Zusatzausgang15 ist mit B bezeichnet und das Stromsignal am Ausgang des Subtrahierers25 ist mit Bezugszeichen C versehen. Die Kennlinien A, B, C sind aufgetragen über der Führungsgröße VGC des Reglers. Man erkennt, daß, von großen Spannungen VGC kommend, der Differenzstrom C Null ist bis zu derjenigen Führungsgröße, bei der sich die Kennlinien B und A schneiden. Ab hier steigt der Strom C linear an, bis er ein Maximum erreicht, um dann konstant zu bleiben. -
5 zeigt den ersten Schritt zur Konstruktion des Stroms D am Ausgang des Addierglieds23 . Zum Strom B am Zusatzausgang15 wird der vom Verstärker26 halbierte Strom C am Subtrahiererausgang addiert zum Signal D'. Man erkennt, daß ab dem Punkt, an dem der Differenzstrom C größer als 0 ist, die Kennlinie D' eine geringere Steilheit hat. An dem Punkt, an dem der Differenzstrom C konstant wird, würde ein Reststrom stehen bleiben. Dabei kommt jedoch zum Tragen, daß der VGA-Puffer von1 einen größeren Regelbereich aufweist als die Verstärkeranordnung16 selbst. Die Begrenzung des Stroms tritt ein, wenn der Strom des Verstärkers16 vollständig umgesteuert ist, am unteren Punkt also 0 ist. Für die Konstruktion nehmen wir an, daß der Strom negativ werden könnte, dann ergeben sich die Verhältnisse wie in6 gezeigt. Darin ist zusätzlich ein fiktiver Strom E eingetragen, womit sich bei gleichem Strom A der fiktive Strom F aus der Differenz aus dem fiktiven Strom E minus der Schwelle A ergibt. Wird nun wiederum im Addierglied23 die Summe gebildet, so erkennt man, daß der Strom D am Ausgang des Addierers23 mit redu zierter Steigung bis 0 fällt und real nicht negativ werden kann. - Der Strom D erreicht sein Minimum ausgehend von großen Führungsgrößen später als der Strom B am Zusatzausgang. Man erzielt also eine Dehnung auf der Achse der Führungsgröße, eine erste Annäherung an einen hyperbolischen Verlauf der Kennlinie in diesem Bereich. Zu beachten ist, daß als externes Signal lediglich der Schwellstrom A verwendet wird.
-
7 zeigt den Vergleich des Stroms B am Zusatzausgang, der im Bereich sehr geringer Verstärkung einen Knick hat und dem Strom D am Ausgang des Addierglieds23 . - Selbstverständlich liegt es im Rahmen des vorgeschlagenen Prinzips, mehrere Verknüpfungseinheiten
27 mit unterschiedlichen Schwellströmen und/oder unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren K im Verstärker26 vorzusehen, um so den Verlauf der Verstärkungs-Kennlinie im Bereich geringer Verstärkungen noch besser an einen hyperbolischen Verlauf anzunähern. -
8 bis10 zeigen in Analogie zu den5 bis7 die Signal-Verhältnisse bei der Schaltung gemäß2 . Der Generator24' von2 stellt eine konstante Stromschwelle G bereit. Mittels dieser Schwelle wird im Subtrahierglied25' ein Differenzstrom H erzeugt, der sich aus der Differenz des Stroms B am Zusatzausgang15 und der Schwelle G ergibt. Der Differenzstrom H wird mit dem Verstärker26 gewichtet, vorliegend halbiert, und anschließend vom Strom B subtrahiert. Der resultierende Strom I' ist in8 eingezeichnet. Man erkennt, daß ab dem Punkt, an dem der Differenzstrom H größer als 0 ist, der resultierende Strom I' eine geringere Steigung hat. Ab dem Punkt, an dem der Differenzstrom I' konstant ist, würde die volle Umsteuerung des Verstärkers16 erreicht werden. Auch hier kommt jedoch zum Tragen, daß der VGA-Puffer von2 einen größeren Regelbereich aufweist, als die Verstärkeranordnung16 selbst. Die Begrenzung tritt ein, wenn der Strom des Verstärkers16 vollständig umgesteuert ist. Für die Konstruktion soll angenommen werden, daß der Strom das Maximum übersteigen könnte. Dann ergäben sich die Verhältnisse wie in9 gezeigt. - In
9 ist zusätzlich ein fiktiver Strom K eingezeichnet, womit sich bei gleicher Schwelle G der resultierende, fiktive Differenzstrom L ergibt. Bildet man nun wiederum die Verknüpfung mit dem Strom am Zusatzausgang, so ergibt sich die gewünschte Kennlinie I und man erkennt, daß der Verlauf des Stroms I mit reduzierter Steilheit bis zum Maximum steigt. - Auch hier ist deutlich, siehe
10 , daß der Strom I am Ausgang des Addierers23' sein Maximum später erreicht als der Strom B am Zusatzausgang15 . Es ist also eine Dehnung bezogen auf die UGC-Achse erzielt, eine erste Annäherung an einen hyperbolischen Verlauf der Kennlinie im Bereich maximal einstellbarer Verstärkung. Dafür ist lediglich eine, stabile Referenzgröße G nötig. - Auch hier können mehrere Stufen der Verknüpfungseinheit
27' vorgesehen sein, so daß sich eine beliebig genaue Annäherung des Verlaufs an einen hyperbolischen Kennlinienverlauf erzielen läßt. Je besser die Kennlinie an einen hyperbolischen Verlauf angeglichen ist, desto weniger Schalttransienten werden beim Hochfahren des Verstärkers 16, dem sogenannten Ramping, erzeugt. -
- 1
- Transistor
- 2
- Transistor
- 3
- Transistor
- 4
- Transistor
- 1'
- weiterer Zusatztransistor
- 2'
- Zusatztransistor
- 3'
- weiterer Zusatztransistor
- 4'
- weiterer Zusatztransistor
- 5
- Transistor
- 6
- Transistor
- 7
- Stromquelle
- 8
- Bezugspotentialanschluß
- 9
- Hochfrequenzeingang
- 10
- Steuereingang
- 11
- Widerstand
- 12
- Widerstand
- 13
- Versorgungspotentialanschluß
- 14
- Hochfrequenzausgang
- 15
- Zusatzausgang
- 16
- Verstärkeranordnung
- 17
- Signalquelle
- 18
- Operationsverstärker
- 19
- Spannungsquelle
- 20
- Bezugspotentialanschluß
- 21
- Führungsgrößeneingang
- 22
- Widerstand
- 23
- Addierglied
- 23'
- Addierglied
- 24
- Stromquelle
- 24'
- Stromquelle
- 25
- Subtrahierglied
- 25'
- Subtrahierglied
- 26
- Verstärker
- 27
- Verknüpfungseinheit
- 27'
- Verknüpfungseinheit
- A
- Referenzschwelle
- B
- verstärkungsproportionaler Strom
- C
- Differenzstrom
- D
- Strom
- E
- fiktiver Strom
- F
- fiktiver Strom
- G
- Referenzschwelle
- H
- Differenzstrom
- I
- Strom
- K
- fiktiver Strom
- L
- fiktiver Strom
- IGC
- Steuerstrom
- VGC
- Steuerspannung
- VREF
- Referenzspannung
- R
- Widerstand
Claims (12)
- Regelkreis mit einer Verstärkeranordnung (
16 ), umfassend – die Verstärkeranordnung (16 ) mit einem Hochfrequenzsignaleingang (9 ), mit einem Ausgang (14 ) zum Abgreifen eines verstärkten Signals, mit einem Eingang (10 ) zum Einstellen der Verstärkung und mit einem Zusatzausgang (15 ) zum Bereitstellen eines die Verstärkung der Verstärkeranordnung (16 ) repräsentierenden Signals, – eine Verknüpfungseinheit (27 ) mit einem ersten Eingang, der an den Zusatzausgang (15 ) angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang zum Zuführen eines Schwellwertes und mit einem Ausgang, und – einen Regelverstärker (18 ), der den Ausgang der Verknüpfungseinheit (27 ) mit dem Eingang zum Einstellen der Verstärkung (10 ) koppelt und der die Verstärkung der Verstärkeranordnung (16 ) regelt. - Regelkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – daß die Verknüpfungseinheit (
27 ) ein Subtrahierglied (25 ) und ein Addierglied (23 ) umfaßt, – daß der Zusatzausgang (15 ) mit je einem Eingang des Addierglieds (23 ) und des Subtrahierglieds (25 ) verbunden ist, – daß ein weiterer Eingang des Subtrahierglieds (25 ) zur Zuführung des Schwellwertes ausgebildet ist, – daß der Ausgang des Subtrahierglieds (25 ) mit einem weiteren Eingang des Addierglieds (23 ) gekoppelt ist, und – daß der Ausgang des Addierglieds (23 ) mit einem Eingang des Regelverstärkers (18 ) gekoppelt ist. - Regelkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Subtrahierglied (
25 ) ausgebildet ist zum Subtrahieren des die Verstärkung der Verstärkeranordnung (16 ) repräsentierenden Signals von dem Schwellwert. - Regelkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Subtrahierglied (
25' ) ausgebildet ist zum Subtrahieren des Schwellwerts von dem die Verstärkung der Verstärkeranordnung (16 ) repräsentierenden Signals und daß das Addierglied (23' ) über einen invertierenden Eingang an den Ausgang des Subtrahierglieds (25' ) angekoppelt ist. - Regelkreis nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung des Ausgangs des Subtrahiergliedes (
25 ,25' ) mit dem Addierglied (23 ,23' ) ein Verstärker mit vorbestimmter Verstärkung vorgesehen ist. - Regelkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung (
16 ) aufweist: – eine Gilbert-Multipliziererschaltung (1 ,2 ;3 ,4 ;5 ,6 ) mit zwei Eingängen (9 ,10 ), von denen ein Eingang (10 ) zum Einstellen der Verstärkung und ein Eingang (9 ) als Hochfrequenzsignaleingang dient, und mit dem Ausgang (14 ), – einen Zusatztransistor (2' ) mit einem Steueranschluß und einem Lastanschluß, der mit dem Steueranschluß und dem Lastanschluß eines Transistors (2 ) der Multipliziererschaltung verbunden ist, und mit einem weiteren Lastanschluß, der den Zusatzausgang (15 ) der Verstärkeranordnung (16 ) bildet, zum Bereitstellen des die Verstärkung der Verstärkeranordnung (16 ) repräsentierenden Signals. - Regelkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß – die Gilbert-Multipliziererschaltung (
1 ,2 ;3 ,4 ;5 ,6 ) einen ersten und einen zweiten Differenzverstärker umfaßt mit je zwei Transistoren (1 ,2 ;3 ,4 ), deren Steueranschlüsse mit dem Eingang (10 ) zum Einstellen der Verstärkung verbunden sind, daß – die Gilbert-Multipliziererschaltung (1 ,2 ;3 ,4 ;5 ,6 ) einen dritten Differenzverstärker umfaßt mit je zwei Transistoren (5 ,6 ), deren Steueranschlüsse den Hochfrequenzsignaleingang (9 ) der Verstärkeranordnung (16 ) bilden, und daß – den Transistoren (1 ,3 ,4 ) des ersten und zweiten Differenzverstärkers je ein weiterer Zusatztransistor (1' ,3' ,4' ) zugeordnet ist. - Regelkreis nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatztransistor (
2' ) und die weiteren Zusatztransistoren (1' ,3' ,4' ) kleinere Abmessungen haben als die Transistoren (1 ,2 ,3 ,4 ) des ersten und des zweiten Differenzverstärkers. - Regelkreis nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Lastanschluß der weiteren Zusatztransistoren (
1' ,3' ,4' ) mit einem Versorgungspotentialanschluß verbunden ist. - Regelkreis nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Lastanschluß der Transistoren des ersten und zweiten Differenzverstärkers (
1 ,2 ,3 ,4 ) über eine symmetrische elektrische Last (11 ,12 ) mit einem Versorgungspotentialanschluß (13 ) gekoppelt ist, an der der Ausgang (14 ) der Verstärkeranordnung (16 ) gebildet ist. - Regelkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Last (
11 ,12 ) eine Impedanz ist. - Regelkreis nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung (
16 ) in bipolarer Schaltungstechnik aufgebaut ist.
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