DE1179274B - Parametrischer Verstaerker - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H03f

Deutsche Kl.: 21 a4-29/50

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

S 77474 IXd/21 a4
10. Januar 1962
8. Oktober 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines elektrischen Speichers, dem die zu verstärkenden Schwingungen zugeführt und parametrisch verstärkt entnommen werden.

Das Studium des Prinzips der parametrischen Verstärkung hat gezeigt, daß gewisse dafür gültige Grundgesetze eine Anwendung nur für spezielle Zwecke als aussichtsreich erscheinen lassen. Eines dieser Gesetze besagt, daß die Verstärkung proportional dem Verhältnis von Idlerfrequenz /j zu Signalfrequenz /_s ist. Will man Signale mit relativ breiten Frequenzbändern, z. B. mit mehreren Oktaven, verstärken, so erhält man, da der Frequenzgang der Verstärkung umgekehrt proportional der Signalfrequenz ist, innerhalb des Signalfrequenzbereiches eine um Größenordnungen und mehr sich ändernde Verstärkung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Schwierigkeiten in einfacher Weise zu begegnen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verstärker für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines elektrischen Speichers, dem die zu verstärkenden Schwingungen zugeführt und parametrisch verstärkt entnommen werden, in der Weise gelöst, daß dem parametrischen Speicher über einen ersten periodisch betätigten Schalter ein Eingangsspeicher für die zu verstärkenden Schwingungen vorgeschaltet und über einen zweiten periodisch betätigten Schalter ein Ausgangsspeicher für die verstärkten Schwingungen nachgeschaltet ist, und daß die Schaltfrequenz beider Schalter wenigstens das Doppelte der höchsten Frequenz der zu verstärkenden Schwingungen beträgt, und die Schließungs- und Öffnungszeiten der Schalter zeitlich derart gegeneinander versetzt sind, daß ein Energiefluß vom Eingangsspeicher über den parametrischen Speicher zum Ausgangsspeicher gegeben ist.

Hierbei empfiehlt es sich, dem Ausgangsspeicher ein Filter nachzuschalten, dessen Durchlaßbereich der Breite des Frequenzbandes der zu verstärkenden Schwingungen entspricht und mit der ursprünglichen Frequenzlage der zu verstärkenden Schwingungen übereinstimmt oder eine durch die Schaltfrequenz bestimmte höhere oder tiefere Frequenzlage einnimmt. Vorteilhaft ist es außerdem, wenn zwischen dem Ausgangsspeicher und dem parametrischen Speicher über einen weiteren periodisch betätigten Schalter weitere parametrische Speicher eingefügt sind und wenn die Schaltzeiten der periodisch betätigten Schalter zeitlich derart gegeneinander versetzt sind, daß ein Energiefluß vom Eingangsspeicher über die parametrischen Speicher in den Ausgangsspeicher gegeben ist.

Parametrischer Verstärker

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Herbert Holzwarth,
Stockdorf (Kr. Starnberg)

Der parametrische Speicher kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Er enthält als veränderbaren Parameter zweckmäßig eine variable Kapazität vorzugsweise in Form einer Brückenschaltung mit Kapazitätsdioden. Hierbei wird zweckmäßig die Brückenschaltung derart ausgebildet und mit der Pumpschwingung versorgt, daß der Signalweg von der Einspeisung der Pumpschwingung entkoppelt ist.

Der parametrische Speicher kann als veränderbaren Parameter auch eine Induktivität enthalten. Auch hierbei wird zweckmäßig für eine Entkopplung des Signalweges von der Pumpfrequenzquelle Sorge getragen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, daß der parametrische Speicher zugleich den Eingangs- und/oder den Ausgangsspeicher bildet und die Pumpenergie in Form von gegen die Periode der zu verstärkenden Schwingungen kurzen Impulsen zugeführt wird, die vor dem Umladevorgang einsetzen und kurz nach dem Umladevorgang enden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei kapazitiven Speichern die über jeweils einen Schalter während der Schließungszeit untereinander verbundenen Speicher wenigstens näherungsweise die gleiche Speicherkonstante haben und wenn während der Schließungszeiten diese beiden Speicher durch eine mit dem Schalter in Reihe liegende Induktivität zu einem Resonanzkreis ergänzt sind, dessen Eigenfrequenz wenigstens näherungsweise gleich y- ist (τ = Schließungszeit des Schalters). Bei induktiven Speichern ist die jeweils hierzu duale Schaltung zu verwenden.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

409 690/227

3 4

Die F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild. Das zu ver- tivität erreicht wird, die so dimensioniert ist, daß bei stärkende Signal der Frequenz f_s wird zuerst einem geschlossenem Schalter ein Resonanzkreis gebildet

Einganasspeicher zugeführt, z. B. einem Kondensator · j j r- _t Iu. ·· w c-li·

, · ο ι τ-»· i- -j ο · u -j ·. wird, dessen Frequenz etwa „ betragt (r = Schhe- oder einer Spule. Die Energie des Speichers wird mit ^M 2τ ^{& K}

Hilfe des Schalters S₁ auf einen Zwischenspeicher um- 5 ßungszeit des Schalters). Außerdem empfiehlt es sich, geladen. Für eine verzerrungsfreie Übertragung muß die Kapazitäten der beiden so verbundenen Speicher die Schaltfrequenz von S₁ nach dem Abtasttheorem gleich groß zu wählen, was gleichen Speicherkonmindestens gleich der doppelten Signalfrequenz sein stanten entspricht.

(s. Fig. 2, Schaltfunktion F₁). Nach der Umladung Die Verstärkung ist also bei dieser Anordnung

wird nun der Zwischenspeicher parametrisch ver- io nicht, wie bei üblichen parametrischen Verstärkern,

ändert und damit die in ihm befindliche Energie ver- .. . f₍ , ,, .. . , ,

i_wt- *■ ι. c ι. ι*« ι *■ j-j -7 ■ u proportional ' , sondern, unabhängig von den bemehrt (schematische Schaltfunktion F_p des Zwischen- ^{r v} /_s ' ^{& fc}

Speichers der F i g. 2). Dann wird der Zwischenspeicher ., . . c_Vi

u TT-if j _c f ,, c· /c u ut ι*· r\ t j teiligten Frequenzen, nur gleich dem Verha tnis „^v

mit Hilfe des Schalters S₂ (Schaltfunktion F₂) auf den & μ & _Cp_

Speicherabschluß des Verbrauchers umgeladen und 15 von Maximalwert zu Minimalwert der gepumpten vollständig entleert. In diesem Zustand wird der Kapazität. Man muß also danach trachten, einen Zwischenspeicher anschließend auf seinen Ausgangs- möglichst großen Kapazitätshub zu erreichen, zustand zurückgebracht. Die Anordnung steht nun für Es sei darauf hingewiesen, daß der Verstärker —

die nächste Periode zur Verfugung. Die Energie kann wie es aus Stabilitätsgründen meist gewünscht wird — am Ausgang in der Signalfrequenzlage f_s oder in 20 unidirektionale Eigenschaften besitzt, d. h., die Verirgendeiner in der Frequenz versetzten Lage η · f_v ± f_s Stärkung ist in beiden Übertragungsrichtungen ver- (fp — Pumpfrequenz) abgenommen werden. Hierbei schieden groß, und zwar erhält man in der Rückwärtsist der Verstärkungsfaktor unabhängig vom Betrag der richtung eine Dämpfung, deren Betrag so groß ist wie Frequenzversetzung und von dem Verhältnis der die Verstärkung in der Vorwärtsrichtung. Für eine Frequenzlagen. 25 Kapazitätsvariation von 1: 10 beträgt also die Ver-

Die F i g. 3 zeigt eine spezielle Anordnung mit Stärkung 10 db und die Rückwärtsdämpfung auch Speicherkondensatoren. Hier wird der Abschlußkon- 10 db. Will man die Verstärkungsrichtung umkehren, densator C₁ des Eingangsspeichers auf den Zwischen- so braucht nur die Phase der Pumpfunktion F_p um Speicherkondensator C₂, zu einem Zeitpunkt umge- 180° geändert zu werden.

laden, in dem der Kondensator C_P einen großen 30 Außerdem kann durch kontinuierliche Phasen-Kapazitätswert Cp₁ hat. Die gespeicherte Energie änderung von F_p die Verstärkung kontinuierlich geist dann regelt werden.

Q U 2 Die Eigenschaft des Verstärkers der unterschied-

W_x = — liehen Verstärkung in beiden Übertragungsrichtungen

2 35 macht diesen auch für eine neue Art von Echosperren

geeignet, die in eine Zweidrahtleitung eingefügt und die Kondensatorladung werden können.

Q _=z Γ {J Als variable Kapazitäten hoher Güte stehen heute

^{P1 v} sogenannte Varactoren, d. h. Halbleiterdioden, die im

Nach der Umladung wird die Kapazität durch die 40 Sperrbereich betrieben werden, zur Verfugung. Die

Pumpspannung auf den Wert Cp₂ verringert. Da die Kapazitätsvariation ist dabei auf Werte von etwa Ladung erhalten bleibt, erhöht sich die Spannung auf 1 : 5 bis 1 : 10 beschränkt und damit die Verstärkung.

den Wert Will man höhere Verstärkungsfaktoren erreichen, so

_ Q kann eine Kettenschaltung angewendet werden. In der

² ~~ ~£ ' 45 F i g. 4 ist eine Kettenschaltung mit zwei Zwischen-

³⁾² speichern im Prinzip gezeigt und in der F i g. 5 die zu-

Die neue Spannung U₂ verhält sich zur Anfangs- gehörigen Schaltfunktionen. Die Übertragungsfak-

spannung U₁ wie toren multiplizieren sich. Es können auch mehr als

U₂ _ Cp₁ zwei parametrische Speicher in Kette geschaltet

J₁ ~ "f ' 50 werden, um noch höhere Verstärkungswerte zu

^{Ul Cpz} erhalten.

und das Verhältnis der Energien ist ebenfalls Obwohl die Frequenz der Pumpfunktion außerhalb

des Signalfrequenzbereiches liegt, ist es doch vorteil-

² _ ^V1 _ haft, daß die Pumpschwingung vom Signalweg mög-

W₁ Cj,₂ 55 liehst weitgehend ferngehalten wird. Die Forderung an

die Schalter S₁ und S₂ könnte sonst in manchen Fällen

Der Kondensator C_p mit der verstärkten Energie W₂ unnötig erhöht werden.

wird nun auf den Abschlußkondensator C₂ des Ver- Die F i g. 6 zeigt als Beispiel eine Anordnung, bei

brauchers umgeladen und sein Kapazitätswert im der die variable Kapazität als Brückenschaltung von Anschluß daran wieder auf seinen großen Wert ge- 60 vier Kapazitätsdioden realisiert ist und bei der die bracht. Die Pumpfunktion F_p kann abweichend von Pumpschwingung durch die Brückenschaltung vom der Darstellung in F i g. 2 z. B. auch eine sinusförmige Signal weg entkoppelt ist.

Wechselspannung sein. Das Umladen mit den Funk- Bei der in der F i g. 7 gezeigten Weiterbildung der

tionen F₁ und F₂ wird dann in den positiven und Erfindung wird nur ein Schalter benötigt. Die variable negativen Spitzen der Sinusfunktion kurzzeitig vorge- 65 Kapazität C_p ist in diesem Fall zugleich Abschlußnommen. Die Umladevorgänge sind dabei möglichst kapazität des Eingangsspeichers und Pumpspeicher, verlustfrei zu gestalten, was beim Ausführungsbeispiel Die Pumpfunktion, mit der Cp geändert wird, muß durch die in Reihe mit dem Schalter befindliche Induk- edoch hier eine gegen die Periode der Signalschwin-

gung kurze Impulsfunktion sein, die vor dem Schließen des Schalters S einsetzt und kurz hinter dem Umladevorgang beendet wird. Die Rollen von C_v und Ce können auch vertauscht werden. Sind sowohl C_P als auch Ce im Takte der Pumpfrequenz veränderliche Kapazitäten, so erhält man eine höhere Verstärkung.

Wenn es darauf ankommt, daß der Ausgangswiderstand des gesamten Verstärkers dem Eingangswiderstand entspricht, dann ist es wegen der im Verstärker auftretenden Widerstandstransformation erforderlich, eine gegensinnige Widerstandstransformation vorzusehen, beispielsweise mittels eines Übertragers am Verstärkereingang oder Verstärkerausgang.

Die Ausführungsbeispiele zeigen als Speicher solche mit kapazitivem Charakter. Als Speicher sind, wie bereits festgestellt, auch solche mit induktivem Charakter geeignet, doch sind dann die hierzu dualen Schaltungen anzuwenden.

Als Schalter werden zweckmäßig Dioden und steuerbare Entladungsstrecken, vor allem in Halbleiterausführung, angewendet, die durch eine gesonderte Schaltspannung betätigt werden. In der F i g. 1 ist dies gestrichelt für die Schalter S₁ und S₂ angedeutet. Beide Schalter haben hierbei getrennte Schaltspannungsquellen (F₁, F₂). Die beiden Schaltspannungen können jedoch, entsprechend phasenverschoben, auch aus einer Schaltspannungsquelle bzw. Schaltstromquelle in an sich bekannter Weise abgeleitet werden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verstärker für elektrische Schwingungen unter Verwendung eines elektrischen Speichers, dem die zu verstärkenden Schwingungen zugeführt und parametrisch verstärkt entnommen werden (parametrischer Verstärker), dadurch gekennzeichnet, daß dem parametrischen Speicher über einen ersten periodisch betätigten Schalter ein Eingangsspeicher für die zu verstärkenden Schwingungen vorgeschaltet und über einen zweiten periodisch betätigten Schalter ein Ausgangsspeicher für die verstärkten Schwingungen nachgeschaltet ist und daß die Schaltfrequenz beider Schalter wenigstens das Doppelte der höchsten Frequenz der zu verstärkenden Schwingungen beträgt und die Schließungs- und Öffnungszeiten der Schalter zeitlich derart gegeneinander versetzt sind, daß ein Energiefluß vom Eingangsspeicher über den parametrischen Speicher zum Ausgangsspeicher gegeben i st.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgangsspeicher ein Filter nachgeschaltet ist, dessen Durchlaßbereich der Breite des Frequenzbandes der zu verstärkenden Schwingungen entspricht und mit der ursprünglichen Frequenzlage der zu verstärkenden Schwingungen übereinstimmt oder eine durch die Schaltfrequenz bestimmte höhere oder tiefere Frequenzlage einnimmt.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsspeicher und dem parametrischen Speicher über weitere periodisch betätigte Schalter weitere parametrische Speicher in Kettenschaltung eingefügt sind und daß die Schaltzeiten der periodisch betätigten Schalter zeitlich derart gegeneinander versetzt sind, daß ein Energiefluß vom Eingangsspeicher über die parametrischen Speicher in den Ausgangsspeicher gegeben ist.

4. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Speicher als veränderbaren Parameter eine variable Kapazität, vorzugsweise in Form einer Brückenschaltung mit Kapazitätsdioden, enthält.

5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung derart ausgebildet und mit der Pumpschwingung versorgt wird, daß der Signalweg von der Einspeisung der Pumpschwingung entkoppelt ist.

6. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Speicher zugleich den Eingangs- und/oder den Ausgangsspeicher bildet und die Pumpenergie in Form von gegen die Periode der zu verstärkenden Schwingungen kurzen Impulsen zugeführt wird, die vor dem Umladevorgang einsetzen und kurz nach dem Umladevorgang enden.

7. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei kapazitiven Speichern die über jeweils einen Schalter während der Schließungszeit untereinander verbundenen Speicher wenigstens näherungsweise die gleiche Speicherkonstante haben und daß während der Schließungszeiten diese beiden Speicher durch eine mit dem Schalter in Reihe liegende Induktivität zu einem Resonanzkreis ergänzt sind, dessen Eigenfrequenz / wenigstens näherungsweise gleich - ist

(τ = Schließungszeit des Schalters).

8. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit induktiven Speichern, gekennzeichnet durch eine hierzu duale Schaltung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 690/227 9.64 © Bundesdruckerei Berlin