DE1255141C2

DE1255141C2 - Rueckgekoppelter kompressor-verstaerker mit hohem ausgangsinnenwiderstand, insbesondere zur anwendung als summen- oder vergleichsverstaerker in analog-digital-umsetzern od.dgl

Info

Publication number: DE1255141C2
Application number: DE19651255141
Authority: DE
Priority date: 1964-05-28
Filing date: 1965-05-28
Publication date: 1974-03-07
Also published as: DE1255141B; US3467913A; GB1114452A

Description

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3 ■ ■ 4 . ■

über den gesamten Pegelbefeieh gleichmäßig ver- daß diese Eigenschaften Bei kleinen Eingangsspaiistärkt. nungen gegeben sind. Für große Eingangsspannungen Demgemäß wird der Verstärker, da zur Erreichung sind derartige Forderungen nicht gegeben. Dementder Prüfung mit hoher Genauigkeit der größe Ver- sprechend ist es vorteilhaft, im Zustand der minimalen Stärkungsgrad gefordert ist, im Überlastungs- oder 5 Rückkopplungsverknüpfung die Rückkopplungsver-Sättigungszustand gehalten. Stärkung und das Band, die der gewünschten Ge-Die Geschwindigkeit des in der F i g. 1 gezeigten naüigkeit entsprechen, entsprechend zu wählen. Aus Additionsverstärkers wird zunächst durch die Fre- diesem Gründe wird bei Eingangsspahnüng mit hoher quenzbandbreite in der Rückkopplungsschleife fest- ' Amplitude eine größere Kopplungsverstärkung gegelegt. Unabhängig davon ist sie beim Betrieb im ιό wählt. An Hand Fig. 4 wird dies erläutert. Ist z.B. nichtlinearen Bereich, der dem Überlastungszustattd die Rückkopplungsverstärkung 20 db und der geentspricht, durch die Betriebsgeschwindigkeit des Ver- samte Verstärkungsbereich 30 db bemessen, so bestärkerelementes im Überlastungsbereich, also bei- trägt im Uberlastungsfall die Rückkopplungsverstärspielsweise durch die »Hole storage«-Zeit .bestimmt kung 50 db. In der F i g. 4 ist auf der Abszisse die und wesentlich verschlechtert. 15 Frequenz / und auf der Ordinate die Rückkopplungs-Deshalb muß, wenn extrem hohe Operations- verstärkung μβ aufgetragen. Bei einer maximalen geschwindigkeiten gefordert werden, vermieden wer- Eingangsspannung entsteht die Kurve 1, wobei sich den, das Verstärkerelement in der Überlastungszone der stabile Bereich, also der frequenzunabhängige zu betreiben. Bereich, nur bis zum Punkt α erstreckt.

Dies ist jedoch, wenn, wie oben erwähnt, der Pegel- 20 Die Kurve 2 in F i g. 4 zeigt den Frequenzverlauf bereich der Eingangssignalsumme sehr groß ist und bei minimaler Eingangsspannung. Diese Kurve 2 erder hohe Verstärkungsgrad erfordert wird, bedingt streckt sich eigentlich bis zum Punkt b. Tatsächlich durch den zulässigen Leistungsverbrauch und die kann sie aber nur bis zum Punkt α ausgenutzt werdamit notwendigen Betriebsspannungen, nur sehr den, so daß die große Toleranz des Verstärkungsschwer zu erreichen. 25 grades nicht ausgenutzt werden kann. Die Rückkopp-Aus diesem Grunde ist es erforderlich, außerhalb lungsbandbreite wird somit sehr verkleinert,
des Verstärkerelementes den Grad der Verstärkung Mit dem Verstärker nach der Erfindung wird dieser entsprechend zu regeln. Als Ausführungsform eines Nachteil behoben. Dies wird dadurch erreicht, daß, solchen in der Verstärkung geregelten Systems kommt wie in Fig. 3 gezeigt ist, durch einen Rückkoppein Verstärker der sogenannten Kompressionstype in 30 lungskreis mit dem Rückkopplungsfaktor ß, welcher Frage, in dessen Rückkopplungskreis ein nicht- nichtlineare Elemente, wie z. B. Dioden, enthält, der lineares Element vorgesehen ist. Ein Aufbau eines gemeinsam so im Verstärkungskreis und im Rück-,derartigen Verstärkers zeigt die F i g. 2. kopplungskreis angeordnet ist, daß der Verstärkungs-Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 sind im grad der Rückkopplungsschleife auch durch die Rückkopplungskreis Z_f außer einem Widerstand R₁ 35 Schwankung des Verlustes im Rückkopplungskreis mit entsprechend hohem Widerstandswert zwei ent- selbst nicht geändert wird. Dies sei an Hand der gegengesetzt gerichtete Dioden RC₁ und RC₂ ange- F i g. 3 im einzelnen erläutert. Mit A ist wiederum ordnet. Solange die Rückkopplungsverstärkung sehr ein Verstärkungselement bezeichnet mit einem Vergroß ist, ist, da die Eingangsimpedanz des Verstär- Stärkungsfaktor (μ). Der Verstärker kann hierbei einkers als angenähert 0 angesehen werden kann, die 40 stufig oder mehrstufig ausgebildet werden. Der Ver-Ausgangsspannung selbst gegeben durch die aus den Stärkungsgrad G und die Rückkopplungsverstärkung beiden parallelen Dioden RC₁ und RC₂ gebildete μβ sind durch folgende Formeln bestimmt:
Rückkopplungsimpedanz. Demgemäß wird, wenn die

Ausgangsspannung wächst, ein Diodenwiderstand ·,

sehr verkleinert. Da, wie oben erwähnt, der Ver- 45 G = ~ (1)

Stärkungsgrad des Verstärkers durch -φ- bestimmt

ist, wird, wenn die Ausgangsspannung wächst, Z_s μ ~ (Zl₁ + Rl₂) (2)
verkleinert und dementsprechend auch der Verstärkungsgrad verringert. 50 „ ^ Rl_s ,*\

Stellt hingegen, wenn das Eingangssignal sehr klein Zl + Rl.

ist, Z_f einen· hohen Widerstandswert dar, dann wächst *

die tatsächliche Verstärkung. Auf diese Weise kann μβ ~ Rl (4)
die Überlastung des Verstärkungselementes vermieden und die hohe Operationsgeschwindigkeit erreicht 55 ' .
werden. Wie aus den Formeln (2) und (4) ersichtlich ist,

Bei einer solchen konstruktiven Ausführung des schwankt der Verstärkungsgrad, falls Zl₁ nichtlineare

Rückkopplungsstromkreises mit der Regelung des Elemente wie Dioden enthält, im gleichen Verhältnis

Verstärkungsgrades allein im Rückkopplungskreis wie (Zl₁ + Rl₂), während die Rückkopplungsverstär-

schwankt der Verstärkungsgrad des Verstärkers um- 60 kung μβ kaum schwankt, da sie durch Rl₂ bestimmt

gekehrt proportional dem Verstärkungsgrad in der ist. In diesem Fall wird also eine Kennlinie erreicht,

Rückkopplungsschleife. , . bei der die Rückkopplungsverstärkung konstant ist

Kleine Eingangsspannungen ergeben nämlich kleine und nur der Verstärkungsgrad durch den Pegel des

Rückkopplungsverstärkungen, und große Eingangs- Eingangssignals geändert wird. Bei einer derartigen

spannungen geben große Rückkopplungsverstärkun- 65 Konstruktion genügt es also, wenn die Phase, der

gen. Verstärkungsgrad und die Toleranz der Kennlinie der

In Additionsverstärkern mit hoher Präzision und Rückkopplungsverstärkung die erforderlichen minihoher Arbeitsgeschwindigkeit ist aber nur gefordert, malen Werte aufweisen, so daß der Entwurf eines·

entsprechenden Verstärkungsstromkreises wesentlich erleichtert wird. Gleichzeitig kann dann auch die Bandbreite, wie in F i g. 5 gezeigt ist, bis zu b gewählt und erweitert werden. Dies ist gegenüber einem Aufbau nach F i g. 2 eine wesentliche Erweiterung. Der Aufbau eines Verstärkungsstromkreises gemäß der Erfindung ergibt bei Anwendung auf einen Additionsverstärker innerhalb eines Codiernetzwerkes eine besonders präzise und schnelle Verstärkung. Bei Anwendung auf einen üblichen Analogverstärker bietet die Anwendung der Erfindung besonders im Bereich eines niedrigen Eingangspegels einen stabilen und im Verstärkungsgrad veränderlichen Breitbandverstärker. Darüber hinaus kann der Verstärkeraufbau nach der Erfindung bei logarithmischen Verstärkern, Rückkopplungs-Momentankompandern, bei denen die nichtlineare Verstärkung in der Kompressions- oder Expansionsphase unter Verwendung des nichtlinearen Elementes im Rückkopplungsweg erfolgt, mit Vorteil eingesetzt werden, wobei ein stabiler und breitbandiger Verstärkungsgrad ohne Schwierigkeit zu erreichen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

wird, z< B< bei einem obenerwähnten Hochgeschwin-Patentanspruch: digkeitscodierer, die Kennlinie im linearen Bereich

auch im Überlastungszustand gehalten werden.

Rückgekoppelter Kompressor-Verstärker mit Dementsprechend besteht die Aufgabe der Erfin-

hohem Ausgangsinnenwiderstand, insbesondere 5 dung darin, einen diesen Anforderungen genügenden zur Anwendung als Summen- oder Vergleichs- Verstärker zu schaffen, der wie ein Verstärker der verstärker in Analog-Digital-Umsetzern od. dgl., Kompressionstype arbeitet und als Vergleichsverdadurch gekennzeichnet, daß im Aus- stärker eingesetzt werden kann,
gangskreis des Verstärkers (A) ein Spannungs- Es sind beispielsweise aus dem »Handbook of

teiler (RLl, RLl) liegt, an dessen Verzweigungs- io Operational Amplifier Applications«, S. 46 von 1963, punkt der Rückkopplungsweg mit linearem Wider- und dem Buch »Digital Computer Components and stand (Rf) angeschlossen ist, und daß der zwi- Circuits«, S. 484, Fig. ll.-6.d, sowie durch den Anaschen dem Verzweigungspunkt des genannten log-Digital-Wandler ADW-1/2 der Firma Wandel und Spannungsteilers und der ungeerdeten Ausgangs- Goltermann Verstärker bekannt, bei denen jeweils klemme (EO) des Verstärkers liegende Widerstand 15 im Ausgang ein Spannungsteiler vorhanden ist, an (RLl) durch zwei gegensinnig gepolte Dioden dessen Verzweigungspunkt ein Rückkopplungsweg (RCl, RC 2) überbrückt ist. mit einer bzw. zwei gegensinnig gepolten Dioden an

geschlossen ist. Die Schleifenverstärkung μβ ist hierbei vom Eingangssignal abhängig und mithin nicht

' ao konstant wie beim Verstärker gemäß der Erfindung.

Bei letzterem ist die Rückkopplungsverstärkung weitgehend konstant und gleichzeitig die Stabilität ver-

Die vorliegende Erfindung betrifft einen rückgekop- bessert, worauf in der Beschreibung später im einzelpelten Kompressor-Verstärker mit hohem Ausgangs- nen noch eingegangen wird. Dies wird gemäß der innenwiderstand, insbesondere zur Anwendung als 25 Erfindung dadurch erreicht, daß im Ausgangskreis Summen- oder Vergleichsverstärker in Analog-Digi- des Verstärkers ein Spannungsteiler liegt, an dessen tal-Umsetzern od. dgl. Hierbei ist im besonderen an Verzweigungspunkt der Rückkopplungsweg mit linedie Anwendung bei Breitbandverstärkern mit ver- arem Widerstand angeschlossen ist, und daß der änderlichem Verstärkungsgrad gedacht, deren Aufbau zwischen dem Verzweigungspunkt des genannten so gewählt ist, daß ein Eingangssignal mit niedrigem 30 Spannungsteilers und der ungeerdeten Ausgangs-Pegel einen hohen Verstärkungsgrad und ein Ein- klemme des Verstärkers liegende Widerstand durch gangssignal mit großem Pegel einen niedrigen Ver- zwei gegensinnig gepolte Dioden überbrückt ist.
Stärkungsgrad bei dem Verstärker bewirkt.. Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt zunächst den Auf-

Innerhalb von Hochgeschwindigkeitscodierern oder bau eines Verstärkers, wie er üblich zur Verstärkung bei den üblichen Analog-Digital-Umsetzern ist es not- 35 von Analogsignalen verwendet wird. Mit E₁ bis E_n wendig, die Vergleichsoperation und die Ermittlung sind die Eingangsklemmen und mit E₀ die Ausgangseines analogen Eingangssignals, das umgeformt und klemme bezeichnet. An diese Klemme werden entbewertet werden soll, mit hoher Geschwindigkeit und sprechende Eingangsspannungen angelegt bzw. die mit hoher Genauigkeit zu bewerten. Hierzu wird ein Ausgangsspannung abgenommen. Mit Z₁ bis Z_n sind Additionsbreitbandverstärker benötigt, welcher die 4° die Impedanzen der Eingangssignalquellen bezeichnet, Addition mehrerer Eingangssignale gegebenenfalls und A ist ein Rückkopplungsverstärker, welcher die mit hohem Verstärkungsgrad des Summensignals prä- Rückkopplungsimpedanz Z_f aufweist. Sofern die zise durchführt. Rückkopplungsverstärkung μβ des Rückkopplungs-

Ferner wird im obengenannten Fall die Summe Verstärkers hinreichend größer als 1 ist, wird die Einmehrerer Eingangssignale vorzugsweise bei extrem 45 gangsimpedanz des Verstärkers A sehr klein, und der genauer Codierung über einen sehr weiten Pegel- Verstärkungsgrad des Verstärkers nähert sich dem bereich geändert. Auch ist der Innenwiderstand von Verhältnis der Rückkopplungsimpedanz Z_f zur Einjedem Eingangssignal keineswegs konstant, sondern gangssignalimpedanz Zi (J = O, ..., ./V₀) und demwird meistens zusammen mit dem Signalpegel ge- entsprechend arbeitet, wenn z. B. die Impedanz Z₁ ändert. 50 der Spännungsquelle und die Rückkopplungsimpe-

Bei der Addition des Signals entsprechend der ge- danz Z_f reine (ohmsche) Widerstände sind, der Vernannten Impedanzänderung ist es dann außerdem er- stärker nach F i g. 1 als Summen- oder Subtraktionsforderlich, daß, um die Genauigkeit der Additions- verstärker. Wenn dagegen Z_t ein induktiver oder bildung entsprechend hoch genug zu halten, eine kapazitiver Widerstand ist, arbeitet die Schaltung als hohe Rückkopplungsverstärkung im erforderlichen 55 Differential- oder Integrationskreis.
Band gegeben ist. Außerdem wird bei Schwankung der Impedanz Z_;

Auf der anderen Seite muß vermieden werden, daß (/ = 1,..., N) des Eingangskreises bei der Verwenbei hohem Verstärkungsgrad der Verstärker über- dung als Additionsverstärker für Rückkopplungslastet wird, wenn der Eingangssummenpegel groß ist. codierer eine derartige Konstruktion unabhängig von Bei einem Rückkopplungscodierer od. dgl. wird natür- 60 der Impedanzschwankung auch zur Addition oder lieh die genügend hohe Verstärkung nur im Bereich Subtraktion von Signalen verwendet. Andererseits ist der kleinen Eingangssummensignale, nämlich in der ausgangsseitig bei einem derartigen Sümmenver-Nähe der Pegelschwelle, angewendet, während im stärker für die obengenannten Codierer od. dgl. nur Bereich der größeren Pegel, also im Bereich der gefordert, daß mit hoher Präzision ermittelt wird, ob großen Summensignale ein derartiger Verstärkungs- 65 ein Unterschied zu einem vorgegebenen Schwellwert grad nicht notwendig ist. eingangsseitig vorhanden ist. Es ist also nicht not-

Jedenf alls muß, wenn höchste Präzision und darüber wendig, daß ein derartiger Additionsverstärker wie hinaus hohe Operationsgeschwindigkeit gefordert ein üblich arbeitender Verstärker die Eingangssignale