DE1913641B2

DE1913641B2 - Symmetrischer modulator

Info

Publication number: DE1913641B2
Application number: DE19691913641
Authority: DE
Inventors: John Robert Kensington Gardens; Sheehan John Robert Red Bank; Vachon Patrick Alban Lakewood; N.J. Colton (V.St.A.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-03-20
Filing date: 1969-03-18
Publication date: 1972-07-13
Also published as: US3497830A; FR2004301B1; SE346187B; FR2004301A1; BE730011A; GB1236713A; DE1913641C3; DE1913641A1; NL6904003A; AU5197869A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen symmetrischen Modulator mit einem Operationsverstärker hoher Verstärkung, der einen invertierenden und nicht invertierenden Eingangs- sowie einen Ausgangspunkt aufweist, mit einem ersten Widerstand, der zwischen dem invertierenden Eingangspunkt und ein Bezugspotential (Erde) geschaltet ist, mit einer Quelle für Signale verhältnismäßig niedriger Frequenz, mit einem zweiten Widerstand, der die Quelle mit dem nicht invertierenden Eingangspunkt verbindet, und einem zusätzlichen nicht invertierenden Verbindungsweg zwischen Quelle und Ausgangspunkt.

Operationsverstärker sind Gleichstromverstärker sehr hoher Leerlaufverstärkung, die mit einer Rückkopplungsimpedanz versehen sind. Je nach Art des Rückkopplungselements lassen sich die mathematischen Operationen, Addition, Subtraktion, Multiplikation, Integration und Differentiation durchführen. Wenn im speziellen Fall das Rückkopplungselement zwischen dem Eingangs- und Ausgangspunkt ein Widerstand mit dem Wert R₂ ist und eine Eingangsspannung E_t über einen weiteren Widerstand mit dem Wert R₁ anliegt, so erscheint am Ausgangspunkt eine Spannung E₀, die gleich dem negativen Wert der Eingangsspannung E₁- multipliziert mit dem Verhältnis von R₂ zu R₁ ist, d. h.:

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E₀ = -

E₁.

(1)

Operationsverstärker sind im allgemeinen vom invertierenden Typ, damit die Rückkopplung die richtige Phasenlage hat, die bewirkt, daß der Eingang dauernd auf scheinbarem Erdpoiential liegt. Da jedooh die für einen erfolgreichen Betrieb erforderlichen hohen Werte der Leeria ufverstUrkung eine Verwendung von vielstufigen Verstärkern bedingen, ist es verhältnismäßig einfach, einen weiteren, nicht invertierenden Eingang an einer mittleren VersUirkerstufe vorzusehen. Es kann also erreicht werden, daß gewisse Eingänge additiv und andere subtraktiv sind. Im folgenden soll gezeigt werden, daß die Verwendung eines Operationsverstärkers mit additiven und subtraktiven Eingängen für die Verwirklichung der Erfindung vorteilhaft ist.

Symmetrische Modulatoren bekannter Art (R y d e r, I. D., »Electronic Fundamentals and Applications«, Verlag Prentic-Hall, zweite Auflage, S. 475 bis 477) stellen im Prinzip Schaltgeräte dar, die an einen Eingang angelegte Signale entsprechend den negativen Halbwellen eines an einen anderen Eingang angelegten Trägers oder einer Schaltwelle invertieren. Das Ausgangssignal ist dann im wesentlichen das Produkt der Signal- und der Schaltwelle Eine als Schaltweile benutzte Trägerwelle wirkt im wesentlichen nach Art einer Rechteckwelle hoher Frequenz. Bekannte Anordnungen zur Verwirklichung von Modulatoren sind Dioden-Brücken- und Gegentaktschaltungen, deren stromleitenden Wege mit der Trägerfrequenz geschaltet werden. Solche bekannten Modulatoren enthalten üblicherweise streng symmetrische Eingangs- und Ausgangsübertrager, die in vielen Fällen besondere Symmetriereinstellungen erforderlich machen.

Es ist bereits ein regenerativer Integrator bekannt (»Handbook of operational amplifier applications«. Burr-Brown, Research Corp., Tucson (Arizona). First Edition 1963, S. 50 bis 53), bei dem ein Operationsverstärker mit einem invertierenden und nicht invertierenden Eingangs- und Ausgangspunkt eine Rückkopplungsverbindung vorzusehen, der eine Schalteinrichtung parallel geschaltet ist. Die Rückkopplungsverbindung enthält einen Kondensator, und die Schalteinrichtung dient dazu, den Kondensator zu Beginn eines Durchlaufs zu entladen. Diese bekannte Anordnung kann nicht als symmetrischer Modulator betrieben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen symmetrischen Modulator zu schaffen, bei dem keine Eingangs- und Ausgangsübertrager benötigt werden, so daß dieser vorteilhaft als integrierte Schaltung herstellbar ist.

Ausgehend von einem symmetrischen Modulator der eingangs angegebenen Art wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß ein dritter Widerstand als Rückkopplungsweg zwischen den Ausgangspunkt und den nicht invertierenden Eingangspunkt geschaltet ist, daß ein vierter Widerstand in den zusätzlichen Verbindungsweg zwischen die Quelle und den nicht invertierenden Eingangspunkt gelegt ist, daß dem dritten Widerstand eine Schalteinrichtung parallel geschaltet ist, daß eine Quelle für Signale verhältnismäßig hoher Frequenz die Schalteinrichtung zwischen dem leitenden und nicht leitenden Zustand steuert und daß die Werte der Widerstände so gewählt sind, daß das doppelte Produkt aus den Werten des ersten und zweiten Widerstands gleich dem Produkt aus den Werten des dritten und vierten Widerstands ist.

Die wirksame Verstärkung des Operationsverstärkers bei geschlossener Schleife wird entsprechend der jeweiligen Polarität des Ausgangssignals der Signale verhiiltnismiißig hoher Frequenz erzeugenden Quelle (im folgenden Schallquelle genannt) durch richtige Wahl der Eingangs- und RUckkopplungsLnpedanz zwischen gleichen positiven und negativen Werten umgeschaltet. Das Ausgangssignal der Signalquelle wird dadurch zur Erzielung einer symmetrischen Modulatorwirkung mit dem Ausgangssignal der Schaltquelle multipliziert.

Das Signal kann über Widerstandsnetzwerke parallel sowohl am invertierenden als auch am nicht inverlierenden Eingangspunkt angelegt werden. Die positive Verstärkung bei geschlossener Schleife mit Bezug auf den nicht invertierenden Eingang ist symmetrisch zur negativen Verstärkung bei geschlossener Schleife mil Bezug auf den invertierenden Eingang, wenn die Schalleinrichtung offen ist. Andererseits "ist bei geschlusMinei Schalteinrichtung nur die positive Verstärkung wirksam. Durch Wahl von Widerstandswerten kann die positive bzw. negali\e Verstärkung bei geschlossener Schleife im wesentlichen bezüglich der Absolutwerte gleich gemacht weiden.

Das Signal kann auch nur an den invertierenden Eingang angelegt werden. Der nicht invertierende Eingang wird auf einem festen Potential mit Bezug auf Erdpolential gehalten. Gleichzeitig wird der zusätzliche Verbindungsweg zwischen Eingang und Ausgang der Gesamtschaltung hergestellt, und die Verstärkung bei geschlossener Schleife wird zwischen einem negativen Wert und Null unter Steuerung der Schalteinrichtung geschaltet. Durch Wahl von Widerstandswerten werden die umschaltbaren Verstärkungen bei geschlossener Schleife somit Bezug auf das Vorwärts-Spannungsverhältnis Symmetrien, daß sich im wesentlichen gleiche positive und negative Gesamtverstiirkungswerte ergeben.

Weiterhin läßt sich der Schaltmodulator so abändern, daß er als Vollweggleichrichter und Gatterschaltung arbeitet. Es können auch mehrere Schaltmodulatoren mit einem weiteren Summier-Operationsverstärker so kombiniert werden, daß sie als Digilal-Analogwandler und vielstufige Digital-Datcncodierer arbeiten.

Ein bedeutsamer Vorteil besteht darin, daß alle einstellbaren Elemente, die zur Symmetrierung des Modulators dienen, Widerstände sird. Es werden keine Spulen, Kondensatoren oder übertrager benötigt. Daher lassen sich die Schaltmodulatoren unter Verwendung von integrierter Schaltungstechnik herstellen.

Die Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltmodulators mit einem Operationsverstärker, bei dem die Signalquelle parallel an einen invertierenden und einen nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschaltet ist.

Die Zeichnung stellt ein Blockschaltbild eines Operationsverstärkers dar, der erfindungsgemäß so abgeändert worden ist, daß er die Funktion eines übertragerlosen symmetrischen Modulators erfüllt. Der symmetrische Modulator selbst, der innerhalb des gestrichelt gezeichneten Kästchens 15 gezeigt ist, weist einen hochverstärkenden Operationsverstärker 12 mit einem durch ein Minus-Zeichen bezeichneten invertierenden Eingang und einem durch ein Plus-Zeichen bezeichneten nicht invertierenden Eingang auf, ferner einen Eingangswiderstand R₁ zwischen der Eingangsleitung B und dem invertierenden Eingang des Vorstürkers 12, einen Spannungsteiler mit Widerstanden R₃ und R₄ zwischen der Eingangsleitung ß und dem nicht invertierenden Eingang, einen zwischen den Aus· gang des Verstärkers J2 (Leitung C) und den invertierenden Eingang geschalteten RUckkopplungswiderstand Rj, eine parallel zum Rückkopplungswiderstand R, liegende und durch den Transistor 13 dargestellte Schalteinrichtung sowie einen Strombegrenzungswi-

derstand R₅, der zwischen dem Schaltsteuerpunkt A und der Basis des Transistors: 13 liegt. An den Steuerpunkt A ist eine Schaltspannungsquelle 10, an den .Modulationseingang B eine Signalquelle und an den Ausgang C eine Verbraucherschaltung 14 angelegt.

is Für einen Betrieb als symmetrischer Modulator oder Demodulator kann die Schaltquelle 10 mit Vorteil eine Trägerfrequenzquelle sein. Die Signalquelle 11 liefert beim Modulatorbetrieb die Modulationssignale und beim Demodulatorbetrieb das modulierte

Trägerfrequenzsignal. Die Verbraucherschaltung 14

kann entweder eine übertragungseinrichtung für ein trägerniöduliertes Signal oder ein Signalempflinger für ein demoduliertes Signal sein.

Der Schaltmodulator nach der Zeichnung läßt sich an Hand üblicher Verfahren analysieren. Die Verbindungspunkte oder Knoten zwischen den Widerständen R₁ und R₂ sowie zwischen den Widerständen R₃ und R₄ sind zum Zweck dieser Analyse mit den Buchstaben D bzw. F in der Zeichnung bezeichnet.

Betrachtet man zunächst den Knoten D (den invertierenden Eingang des Verstärkers 12), so kann man schreiben:

~~ E

R₁

_n _ E

E_n — E₁-

R,

wobei mit E Spannungen an den angegebenen Verbindungspunkten und mit R Widerstandswerte gemäß F i g. 1 bezeichnet sind.

Löst man die Gleichung (2) nach E_n auf, so erhält man

E_n =

E₁₁R₂ + £_tR, R₁ + R₂

Betrachtet man dann den Verbindungspunkt F (den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 12). so erhält man

K₃ + K₄

wobei V₀₁.,, definiert ist als die äquivalente Eingangs-Differenzspannung des Operationsverstärkers 12, die sich sowohl aus der tatsächlichen Eingangs-Differenzspannung als auch dem Eingangs-Di(Terenzstrom mit beliebiger Polarität ergibt. Es handelt sich um einen Fehler-Term.

Jetzt sei die Spannung am Ausgangspunkt C betrachtet:

E_c = GE₁.- - GE_n. (5)

wobei G die Leerlaufverstärkung oder innere Verstärkung des Operationsverstärkers 12 ist. Diese kann in der Größenordnung von einigen Hundert oder einigen Tausend liegen.

Setzt man die Gleichungen (3) und (4) in die Glei- daß der Schalttransistor 13 gesättigt ist. Der Rückchungen (5) ein, so erhält man: kopplungswiderstand R₂ ist dann praktisch unwirk

sam, und es erscheint nur ein Fehler-Spannungsab-

„/ R₄ J_{7 v} fall V_SAl zwischen dem Kollektor und dem Emitter

tr - O I ———- ü„ + Y off j des Transistors 13.

Betrachtet man wieder den Knoten D, so kann man

E₁, = E_c + V_SAT. (10)

Durch Zusammenfassen der £_C-Ausdrücke der io

Gleichung (6) ergibt sich: Der Verbindungspunkt oder Knoten F bleibt in

dem durch die Gleichung (4) angegebenen Zustand.

( ' j- Ri \ Am Ausgangspunkt C gilt wieder die Gleichung (5),

^c Vg K₁ +R₂/ aber die Gleichung (6) wird

R₃ + R₄,

V₀F,- - (7) E_c = g( £_ß - £c - V_Opp - V_SAry

Bei einer praktisch ausgeführten Schaltung ist G Löst man nach der Ausgangsspannung £_c auf, so

so groß, daß sein Kehrwert klein im Vergleich zu 20 ergibt sich

ist. Dann kann man die Gleichung (7) nach G / R, \

(R, + R₂) ρ — " 1 ¹V ρ 1 i/ _ τ/ \ μ o\

£_c auflösen: 1 -i- G VR3 + ^v /

ρ _ / R₄ pii/ Vi 4. J?!.^ _ _5l ρ ²5 Vernachlässigt man die Fehlerkomponenten V₀,.,, ^r ~ \R₃ + R₄ ^{B Ol} 'A K₁ / R₁ ^β ' und K_S/1T, setzt, wie vorher, R₃ = R₄ und nimmt an,

ig) daß G sehr groß gegen Eins ist, so reduziert sich die

Gleichung (12) zu

Der erste Klammerausdruck auf der rechten Seite

in Gleichung (8) gibt den Beitrag des nicht invertieren- 30 £ _ Jz± m\

den Verstärkungsweges über den Verstärker 12 und 2

der negative Ausdruck den Beitrag des invertierenden

Verstärkungsweges an. Die Gleichung (13) gibt die Ausgangsspannung des

V_0Fp kann zunächst einmal vernachlässigt werden. Modulators nach F i g. 1 an, wenn der Schalttransistor Es sei R₂ = 2R, und R₃ = R₄. Dann ergibt sich: 35 13 durch die Schaltquelle 10 in Durchlaßrichtung vor

gespannt ist. Es zeigt sich, daß unter den angenomme-

P _ _ E^ nen, zweckmäßig ausgewählten Bedingungen die

^c ~ 2 ' Schaltung 15 in der Zeichnung als Umkehrschalter

mit einer Frequenz arbeitet, die durch das Ausgangs-

Die Gleichung (9) gibt die Ausgangsspannung des 40 signal der Schaltquelle 10 bestimmt ist. Sie hat daher Modulators nach der Zeichnung an, wenn der Schalt- die Eigenschaften eines symmetrischen Modulators, transistor 13 (hier als npn-Transistor dargestellt) durch Zur Aufrechterhaltung einer symmetrischen Moduladie Schaltquelle 10 in Sperrichtung vorgespannt ist. torwirkung ist eine weitere Bedingung zu erfüllen.

Der Modulator nach der Zeichnung läßt sich auf nämlich:
entsprechende Weise für die Bedingung analysieren, 45 2R₁R₄ = R₂R₃. (14)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

913

Patentanspruch:

Symmetrischer Modulator mit einem Operationsverstärker hoher Verstärkung (12), der einen invertierenden (D) und einen nicht invertierenden (F) Eingangspunkt sowie einen Ausgangspunkt (C) aufweist, mit einem ersten Widerstand (R₄), der zwischen den nicht invertierenden Eingangspunkt und ein Bezugspotential (Erde) geschaltet ist, mit einer Quelle (11) für Signale verhältnismäßig niedriger Frequenz, mit einem zweiten Widerstand (Ri), der die Quelle (11) mit dem nicht invertierenden Eingangspunkt (D) verbindet, und mit einem zusätzlichen nicht invertierenden Verbindungsweg zwischen der Quelle (U) und dem Ausgangspunkt (C), dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (R₂) als Rückkopplungsweg zwischen den Ausgangspunkt (C) und den nicht invertierenden Eingangspunkt (D) geschaltet ist, daß ein vierter Widerstand (Rj) in den zusätzlichen Verbindungsweg zwischen die Quelle (11) und den nicht invertierenden Eingangspunkt (F) gelegt ist, daß dem dritten Widerstand (R₂) eine Schalteinrichtung (13) parallel geschaltet ist, daß eine Quelle (10) Tür Signale verhältnismäßig hoher Frequenz die Schalteinrichtung (13) zwischen dem leitenden und nicht leitenden Zustand steuert und daß die Werte der Widerstände so gewählt sind, daß das doppelte Produkt aus den Werten des ersten und zweiten Widerstandes (R₄., R₁) gleich dem Produkt aus den Werten des dritten und vierten Widerstands (R₂, R₃) ist.