DE1202325B - PAM-Modulator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/06

Nummer: 1202325

Aktenzeichen: J 25197 VIII a/21 al

Anmeldetag: 30. Januar 1964

Auslegetag: 7. Oktober 1965

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Puls-Amplituden-Modulation (PAM) mit einem großen Dynamikbereich. Transistorisierte Schaltungsanordnungen zur Puls-Amplituden-Modulation sind seit einiger Zeit bekannt. Eine bekannte Schaltungsanordnung ist beispielsweise in F i g. 7 dargestellt. Hier wird ein in Kollektorschaltung betriebener pnp-Transistor verwendet, dessen Emitterbelastung durch den angeschlossenen PAM-Verbraucher Rl gebildet wird. Das abzutastende Signal Ue₁ wird der Schaltungsanordnung an der Eingangsklemme E₁ mit negativer Polarität gegen das Erdpotential an dem Anschlußpunkt E eingespeist. Das Abtastsignal Ms₂ wird dagegen an dem Eingang E₂ direkt zwischen dem Kollektor C des Transistors und der Erdpotentialklemme E eingespeist. Diese Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß in den Zeiten zwischen den Abtastimpulsen der Eingang E₁ für das Signal Ue₁ einen Kurzschluß darstellt. Der Kurzschlußstrom ϊκ fließt, wie in F i g. 8 gezeigt wird, über die Signalquelle SG und deren Widerstand Ri, über die in Durchlaßrichtung gepolte Basis-Kollektorstrecke des Transistors T und über die Quelle für die Abtastimpulse iG und deren Widerstand R'i.

Das entstehende Ausgangssignal ua hat die in F i g. 9 dargestellte Kurvenform. Das Überschwingen der Ausgangsspannung an der Vorderflanke des Impulses wird durch die Kapazität der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors T verursacht. Das Überschwingen entsteht dadurch, daß die Kapazität der Basis-Kollektor-Strecke des pnp-Transistors T dauernd an der Signalspannung liegt und zu Beginn der Abtastung aufgeladen bzw. entladen werden muß.

Diesen entscheidenden Nachteil vermeidet die Schaltung nach der vorliegenden Erfindung, welche darüber hinaus noch einige weitere Vorteile bietet, wie beispielsweise die Möglichkeit der Linearisierung der Modulationskennlinie des Modulators, wodurch ein größerer Dynamikbereich ausgenutzt werden kann, und ferner die Möglichkeit, die Empfindlichkeit des Modulators gegen Fremdstörungen herabzusetzen.

Die vorliegende Erfindung betrifft also eine Schaltungsanordnung (F i g. 1) zur Puls-Amplituden-Modulation (PAM), deren kennzeichnende Merkmale darin bestehen, daß das abzutastende Signal Ue₁ einem in Kollektorschaltung betriebenen npn-Transistor T₁ zwischen Basisanschluß B und Erdpotentialanschluß E und das Abtastsignal Ue₂ über einen geeignet bemessenen Emitterwiderstand Re zwischen Emitteranschluß E_m und Erdpotentialanschluß E eingespeist und das modulierte Signal wj an der Verbindungsstelle A zwischen Emitterwiderstand Re und Emitter-PAM-Modulator

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H.,

Sindelfingen (Württ.), Tübinger Allee 49

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Erwin Paulus,

Dipl.-Ing. Dr. Ernst Rothauser, Wien

anschluß E_m abgegriffen und dem PAM-Verbraucher Rl zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der genannten Schaltungsanordnung wird dadurch erreicht, daß zwischen der Verbindungsstelle A und dem PAM-Verbraucher Rl eine aus einem pnp-Transistor T₂ (Fig. 10) bestehende Übersteuerungsschutzschaltung Ü derart eingefügt wird, daß der Basisanschluß B des

as Transistors T₂ mit der Verbindungsstelle A, der Emitteranschluß Em mit dem Anschlußpunkt A₁ des PAM-Verbrauchers Rl und der Kollektoranschlußpunkt C mit einem ein bestimmtes Potential — F& führenden Anschlußpunkt verbunden ist.

Zur Linearisierung der Modulationskennlinie kann die zuletzt beschriebene Schaltungsanordnung in sehr günstiger Weise dadurch erweitert werden, daß am Verbindungspunkt A₁ zwischen dem Emitteranschluß Em des Transistors T₂ und dem PAM-Verbraucher Rl ein geeignet bemessener Linearisierungswiderstand Rk angeschlossen ist, dessen anderer Anschlußpunkt ein bestimmtes positives Potential + V führt.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der genannten Schaltungsanordnungen hinsichtlich der Störungsbegrenzung kann dadurch erreicht werden, daß an der Verbindungsstelle A von Emitteranschluß E_m des ersten Transistors T₁ und Basisanschluß B des zweiten Transistors T₂ ein geeignet bemessener Störbegrenzungswiderstand Rs angeschlossen ist, dessen anderer Anschlußpunkt ein bestimmtes positives Potential + V führt.

Die Vorteile der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung zur Puls-Amplituden-Modulation gegenüber bekannten derartigen Anordnungen bestehen also in einer guten Linearität der Modulationskennlinie des Modulators und dessen weitgehende Unabhängigkeit von Fremdstörungen. Ferner wird auch das

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Überschwingen des Ausgangssignals, welches bei einigen bekannten Anordnungen zu beobachten ist, mit der vorliegenden Schaltungsanordnung vermieden.

Im folgenden wird nun die Erfindung an Hand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung zur Puls-Amplituden-Modulation (PAM) nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines sich langsam verändernden Eingangssignals UEi,

F i g. 3 ein Diagramm zur DarsteEung des zeitlichen Verlaufs der Abtastimpulse,

F i g. 4 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals Ua,

F i g. 5 die DarsteEung einer ideal verlaufenden Modulationskennlinie,

F i g. 6 die Darstellung einer idealen und. einer wirklichen Modulationskennline, ao

F i g. 7 das Schaltbild eines bereits bekannten PAM-Modulators,

F i g. 8 eine Darstellung des Verlaufs des Kurzschlußstromes ίκ, der während der Impulspausen des Abtastsignals fließt,

F i g. 9 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Ausgangssignals ua eines bekannten PAM-Modulators,

F i g. 10 eine weitere Schaltungsanordnung zur Puls-Amplituden-Modulation nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 11 Darstellungen verschiedener Modulationskennlinien,

F i g. 12 die Darstellung eines weiter verbesserten PAM-Modulators nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 13 eine Darstellung weiterer Modulationskennlinien und

F i g. 14 die Darstellung eines weiteren PAM-Modulators nach der vorliegenden Erfindung.

Im folgenden wird ein PAM-Modulator beschrieben, der insbesondere für die Anwendung in einem Vocoder-System gedacht ist. Seine Anwendbarkeit ist weitgehend universell und nicht auf Vocoder-Systeme allein beschränkt. Er kann vielmehr überall dort verwendet werden, wo das abzutastende Signal in Form einer veränderlichen Gleichspannung, bezogen gegen ein Massepotential, vorliegt und wo es auf große Dynamik bei guter Linearität ankommt. Für alle Schaltungen, mit Ausnahme der bekannten, ist das abzutastende Signal eine veränderliche Gleichspannung mit negativer Polarität, bezogen auf das Massepotential. Unter der Signalquelle SG ist eine Spannungsquelle mit einem inneren Widerstand Ri zu verstehen, deren Leerlaufspannung das abzutastende Signal ist.

Der PAM-Verbraucher wird der einfacheren Darstellung wegen als rein reell und genau bekannt vorausgesetzt und durch einen Widerstand Rl gekennzeichnet.

Wie bereits erwähnt, besitzt eine in F i g. 7 dargestellte, bereits bekannte Anordnung den Nachteil, daß in den Zeiten 1// — T (F i g. 3) zwischen den Abtastimpulsen der Eingang^ für das abzutastende Signal einen Kurzschluß darstellt. Hierbei fließt, wie in F i g. 8 dargestellt, ein Kurzschlußstrom ίκ über den Innenwiderstand Ri des Signalgenerators SG, über die in Durchlaßrichtung gepolte Basis-Kollektor-Strecke des Transistors T und über die Quelle für die Abtastimpulse iG und deren Widerstand R'i. Das Ausgangssignal ist an seiner Vorderflanke durch ein Überschwingender Ausgangsspannung verzerrt, welches dadurch hervorgerufen wird, daß die Kapazität der Basis-Kollektor-Strecke des Transistors T dauernd an der Signalspannung liegt und zu Beginn der Abtastung aufgeladen bzw. entladen werden muß.

Ein Vergleich dieser Schaltung mit der in F i g. 1 wiedergegebenen neuen Schaltung zeigt, daß der Eingängig dieser neuen Schaltung sowohl während der Abtastungen als auch zwischen den Abtastungen für das Signal nur eine geringe Belastung darstellt. Der Eingang^ belastet die Quelle für die Abtastimpulse iG (F i g. 8) nur während der Abtastungen. Zwischen den Abtastungen fließt über den Eingang E₂ kein Strom. Auf diese Weise wird das Überschwingen der Ausgangsspannung vermieden.

Zu der Schaltung selbst ist zu bemerken, daß an den Eingang E₁ (F i g. 1) das Signal Ue₁ in der Form einer Gleichspannung, negativ gegen Massepotential bezogen, gelegt wird. Am Eingang^ liegen negative Abtastimpulse der Höhe— F» und der Dauer7" zeitlich hintereinander in Abständen 1// (F ί g. 3). Am Ausgang A tritt das amplitudenmodulierte Signal ua auf, welches in F i g. 4 wiedergegeben ist.

Die ideale Modulationskennlinie eines derartigen Modulators ist in ihrer prinzipiellen Form in F i g. 5 dargestellt. Die Nichtlinearität der Kennlinie der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₁ ist dabei vernachlässigt. Für Signale

- Rl+Re

ist der Modulator übersteuert. Zur Vermeidung der Übersteuerung ist Rl ^> Re wünschenswert.

F i g. 6 zeigt die Modulationskennlinie unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₁. In dem Diagramm der F i g. 6 ist diese Modulationskennlinie mit dem Kurvenzug K₂ angegeben, während die ideale Kurve durch K₁ dargestellt ist.

Da die Modulatorschaltung nach F i g. 1 sehr leicht übersteuert werden kann, wenn die Belastung des PAM-Verbrauchers Rl nicht wesentlich größer als der Emitterwiderstand Re ist, wird, um den Lastwiderstand Rl für den Modulator zu vergrößern, zwischen Modulatorausgang und Belastungseingang, also an der Ausgangsklemmen, eine aus einem pnp-Transistor T₂ (F i g. 10) gebildete Kollektorstufe eingefügt.

Der Kollektor des pnp-Transistors T₂ kann an konstante negative Spannung — V\> oder an den Eingang E₂ gelegt werden. Im letzteren Fall kann der pnp-Transistor T₂ für eine geringere Verlustleistung ausgelegt werden als im ersten Fall. Hat der pnp-Transistor T₂ genügend große Stromverstärkung, dann ist der Modulator erst für

I —ub%\ Ξ> Vb

übersteuert.

Die in F i g. 10 dargesteEte Modulatorschaltung hat eine Modulationskennlinie, wie sie etwa in Fig. 11 mit dem Kurvenzug K₃ dargestellt ist. Es ist in dieser Figur zu sehen, daß die Modulationskennlinie sich als resultierende Kurve K₃ aus den Kurvenzügen Κτχ des npn-Transistors und Kt₂ des pnp-Transistors ergibt. Der Kurvenzug JST₄ entspricht der idealen Modulationskennlinie. Die resultierende Modulationskennlinie K₃ der F i g. 11 hat vor allem im Bereich niedriger Signaleingangsspannungen starke Nichtlinearitäten. Ebenso

wächst die Nichtlinearität bei einer bestimmten oberen Grenze dieses Signals. Der Dynamikbereich, in dem diese Schaltung verwendet werden kann, ist noch weitgehend begrenzt und nicht für alle Anwendungsgebiete geeignet. Eine weitaus universelle Verwendbarkeit läßt sich erzielen, wenn die resultierende Modulationskennlinie noch weiter der idealen Modulationskennlinie angenähert werden kann.

In F i g. 13 ist grafisch gezeigt, wie durch Einführung eines geeignet bemessenen Linearisierungswiderstandes R_K, der einerseits mit einem bestimmten positiven Potential + V und andererseits mit dem Emitter E_n des pnp-Transistors T₂ verbunden ist, eine weitere Annäherung an die ideale Modulationskennlinie möglich ist. Vor allem im Bereich niedriger Signalspannungen konnte eine gute Linearisierung der resultierenden Modulationskennlinie erzielt werden.

In manchen Anwendungsfällen kann es günstig sein, den Ausgangstransistor T₂ in den Zeiten zwischen den Abtastimpulsen zu sperren, um Störungen, die in den Zeiten zwischen den Abtastimpulsen an die Basis dieses Transistors gelangen, ausgangsseitig zu unterdrücken. Solche Störungen können auftreten, wenn die Abtastimpulse aus digitalen Schaltkreisen mit relativ hohem Störpegel, etwa einer digitalen Logik, bezogen werden. In Fig. 14 ist dargestellt, wie der Ausgangstransistor T₂ über einen Widerstand Ms in den Zeiten zwischen den Abtastimpulsen gesperrt werden kann. Für die Sperrung muß jedoch die Bedingung

M_L

erfüllt sein.

Me +Mk M_l+ M_s

Claims (4)

Patentansprüche: 35

1. Schaltungsanordnung zur Puls-Amplituden-Modulation (PAM), dadurch gekennzeichnet, daß das abzutastende Signal (u_El) einem in Kollektorschaltung betriebenen npn-Transistor (T₁) zwischen Basisanschluß (B) und Erdpotentialanschluß (E) und das Abtastsignal (Ue₂) über einen geeignet bemessenen Emitterwiderstand (Me) zwischen Emitteranschluß (E_m) und Erdpotentialanschluß (E) eingespeist und das modulierte Signal (ua) an der Verbindungsstelle (A) zwischen Emitterwiderstand (Me) und Emitteranschluß (Em) abgegriffen und dem PAM-Verbraucher (Ml) zugeführt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verbindungsstelle (A) und dem PAM-Verbraucher (R£) eine aus einem pnp-Transistor (T₂, F i g. 10) bestehende Ubersteuerungs-Schutzschaltung (Ü) derart eingefügt wird, daß der Basisanschluß (B) des Transistors (T₂) mit der Verbindungsstelle (A), der Emitteranschluß (E_n) mit dem Anschlußpunkt (^₁) des PAM-Verbrauchers (M£) und der Kollektoranschlußpunkt (C) mit einem ein bestimmtes Potential (— Vb) führenden Anschlußpunkt verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Verbindungspunkt (A₁) zwischen Emitteranschluß (E_m) des Transistors (T₂) und PAM-Verbraucher (Ml) ein geeignet bemessener Linearisierungswiderstand (Mk) angeschlossen ist, dessen anderer Anschlußpunkt ein bestimmtes positives Potential (+ V) führt.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verbindungsstelle (A) von Emitteranschluß (E_m) des ersten Transistors (T₁) und Basisanschluß (B) des zweiten Transistors (T₂) ein geeignet bemessener Störbegrenzungswiderstand (Ms) angeschlossen ist, dessen anderer Anschlußpunkt ein bestimmtes positives Potential (+ V) führt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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