DE1953755B2

DE1953755B2 - Leistungsverstaerker mit hohem wirkungsgrad und geringem verzerrungsgrad

Info

Publication number: DE1953755B2
Application number: DE19691953755
Authority: DE
Inventors: Leon Asnieres Cheillan Jean Croissy sur Seine Berman, (Frankreich)
Original assignee: CIT Compagnie Industrielle des Telecommunications SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1968-10-25
Filing date: 1969-10-24
Publication date: 1971-10-07
Also published as: BE740239A; NL6915925A; FR1586550A; DE1953755A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker mit einem bezüglich der bekannten Leistungsverstärker verbesserten Wirkungsgrad, der in einem breiten Frequenzband mit einem geringen Verzerrungsgrad arbeitet.

Ein Verstärker der angestrebten Art könnte beispielsweise folgendermaßen beschrieben werden: Verstärkung 40 db (0,1 W bis 1 kW), Durchlaßband 2 bis

30 MHz, Dämpfung der Zwischenmodulationsprodukte größer als 30 db.

Die Linearität in Leistungsverstärkern wird durch Wahl des Arbeitsbetriebs (A- oder AB-Betrieb) erhalten. Der energetische Wirkungsgrad ist bei diesen Bedingungen sehr gering, und es ist bekannt, daß er für Α-Betrieb in der Größenordnung von 30% liegt. Zu den Problemen hinsichtlich des Wirkungsgrades kommt hinzu, daß die für die Anlagen und Speiseeinrichtungen , erforderlichen Abmessungen bei beweglichen Anlagen einen ernsthaften Nachteil darstellen.

Es wird häufig versucht, die Linearität von Breitbandverstärkern durch Gegenkopplung zu verbessern. Dabei stößt man jedoch auf Schwierigkeiten bezüglich der Transistoren, deren Ubergangsfrequenz tatsächlich niemals sehr weit von der Maximalfrequenz des zu übertragenden Frequenzbandes entfernt ist. Daraus folgt, daß die für die Stabilität erforderlichen Phasenbedingungen bei Gegenkopplung nicht eingehalten werden können.

Falls ein Mehrstufenaufbau gewählt wird, ist es zur Gewährleistung der Stabilität unentbehrlich, umfangreiche Schutzeinrichtungen zu verwenden, wie Abschirmungen, Entkopplungen usw., wodurch ernsthafte Nachteile entstehen.

Andererseits ist es bekannt, daß mit einem C-Verstärker mit einem Quasi-Impulsbetrieb erhöhte Verstärkungsleistungen, bzw. ein erhöhter Verstärkungswirkungsgrad erhalten wird.

Aus der deutschen Patentschrift 1175 736 ist es bekannt, bestimmte Signalteile, beispielsweise positive und negative, über getrennte Kanäle Verstärkern zuzuführen.

Ferner ist es aus der deutschen Patentschrift 1 244 848 bekannt, den Einzelverstärkerstufen eines mehrstufigen Impulsverstärkers mit Transistoren in Basisschaltung und induktiver Verkopplung der Einzelstufen eine Speisespannung zuzuführen, deren Absolutwert von Stufe zu Stufe steigt.

Schließlich ist es bekannt, eine übertragung durch kodierte Impulse vorzunehmen, bei der der periodisch entnommene Augenblickswert in dem Binärsystem quantisiert wird und die jeden Amplitudenwert definierende Information in Form eines Zuges kodierter Impulse übertragen wird, beispielsweise in Form von fünf Impulsen für eine Quantifizierung mit 32 Absolutwerten, nämlich mit einer zusätzlichen Polaritätsinformation für 31 positive Amplitudenwerte und

31 negative Amplitudenwerte zusätzlich des Wertes für die Amplitude Null.

Der Erfindung liegt zur Erzielung einer Verstärkung auf quantisierten Amplitudenwerten dieses Prinzip zugrunde.

Gemäß der Erfindung wird in einem Leistungsverstärker ein zu verstärkendes Signal einer Quantisierung mittels an sich bekannter Einrichtungen unterzogen, welche für jede Amplitudenstufe ein Wort von η binären Zeichen an parallelen Ausgängen liefern, wobei jedes Zeichen entsprechend seiner Ordnung ein spezifisches numerisches Gewicht i besitzt, und es ist für jeden von η quantisierten Werten ein Einzelverstärker mit Impulsbetrieb, vorzugsweise im C-Betrieb, als Schaltverstärker und mit stets identischer Aussteuerung vorgesehen, wobei die Aussteuerung jedes Verstärkers gleichzeitig durch die η Binärsignale erfolgt, und es sind ferner passive Einrichtungen zur Summierung der gleichzeitig durch die verschiedenen Verstärker gelieferten Signale vorgesehen, wobei die

ίο erhaltene Summe das verstärkte Signal repräsentiert. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein zum Ansprechen auf ein Signal vom Gewicht i vorgesehener Einzelverstärker in der Weise dimensioniert, daß er einen entsprechenden Leistungsimpuls mit einem optimalen Wirkungsgrad liefert.

Der gemäß der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist im wesentlichen darin zu sehen, daß eine Signal verstärkung mit besonders gutem Wirkungsgrad und außerordentlich geringer Verzerrung ermöglicht wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend beispielsweise an Hand der Zeichnung erläutert, in der an Hand eines einzigen Schaubildes ein Prinzipschaltbild aufgezeigt ist.

In dieser Zeichnung ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Eingangsklemme für das zu verstärkende Signal bezeichnet. Dieses Signal wird gleichzeitig einem an sich bekannten Polaritäts-Detektor 2 und einem an sich bekannten analog-numerischen Wandler 3 zugeführt, welcher am Ausgang kodierte Impulszüge liefert. Zum besseren Verständnis wird angenommen, daß die Quantisierung mit 32 Amplitudenstufen (0, 1, 2 ... 31) erfolgt, und zwar mit Zügen von fünf Impulsen des jeweiligen Gewichts (1), (2), (4), (8), (16).

Der Polaritäts-Detektor 2 kann von beliebiger an sich bekannter Art sein. Er ist zwar im einzelnen nicht beschrieben, wird jedoch beispielsweise aus einer Schaltung von zwei antiparallel angeordneten Dioden bestehen,, welche an einem Ausgang (Ausgang —) ein binäres Zeichen 1 liefert, wenn die Polarität des Eingangssignal negativ ist, und ein binäres Zeichen 0 abgibt, wenn die Polarität des Eingangssignals positiv ist und an einem anderen Ausgang (Ausgang +) die jeweils komplementären Zeichen liefert.

Es ist ebenfalls bekannt, den Wandler 3 in verschiedener Weise aufzubauen, wobei eine der verbreitetsten Arten darin besteht, einen ankommenden Abtastwert / mit einem festen Wert N zu vergleichen, dann, wenn das Signal / den Wert N überschreitet, die Differenz I-N mit 2 zu multiplizieren, oder dann, wenn das Signal / den Wert N nicht übersteigt, das Signal / selbst mit 2 zu multiplizieren und einen neuen Vergleich mit demselben Wert N vorzunehmen, und so weiter, wobei der Vergleich und die Multiplikation im vorliegenden Fall fünfmal wiederholt werden. Jedesmal dann, wenn eine Überschreitung des Wertes N vorliegt, wird ein Kodierimpuls ausgesandt. Der Wandler 3 besitzt eine Serien-Parallel-Wandlervorrichtung bekannter Bauart. Beispielsweise werden die für jeden analysierten Amplitudenwert erzeugten Binärzeichen in Speicher (Kippstufen) eingeschrieben, welche gleichzeitig auf den Befehl eines Taktgebers gelesen werden.

Die von dem Polaritäts-Detektor 2 und dem Wandler 3 abgegebenen Signale werden fünf Anordnungen 11,12, 13, 14, 15 von identischem Aufbau zugeführt. Jede dieser Anordnungen enthält ein erstes UND-Glied P mit zwei Eingängen a, b, einen ersten Ver-

stärker A, dessen Ausgangsstufe einen Transistor Q aufweist, ein zweites UND - Glied P' mit zwei Eingängen a',b', sowie einen zweiten Verstärker ,4', dessen Ausgangsstufe einen Transistor Q' aufweist. Die Emitter der zwei Transistoren Q und Q' sind gemeinsam auf Bezugspotential geschaltet, und ihre Kollektoren sind mit den gegenüberliegenden Enden der Primärwicklung eines Transformators T verbunden, deren Mittelanzapfung in der Anordnung 11 mit eine Speisespannung U₁ verbunden ist. Die Eingänge α der Glieder P sind mit dem Ausgang »-« des Detektors der Polarität 2 verbunden; die Eingänge a' der Glieder F' sind mit dem Ausgang » + « des Detektors der Polarität 2 verbunden; die Eingänge b und b' der Glieder P und P' jeder der Anordnungen *5 11 bis 15 sind jeweils mit fünf Ausgängen des Analog-Digital-Wandlers 3 verbunden. Die Speisespannung besitzt den Wert U₂ in der Anordnung 12, den Wert U₃ in der Anordnung 13, den Wert U₄ in der Anordnung 14 und den Wert U₅ in der Anordnung 15. Ein Ende der Sekundärwicklung des Transformators T liegt an Masse, und das andere Ende ist mit einer Ausgangsklemme rf verbunden. In der Anordnung 11 ist die Äusgangsklemme mit dem Bezugszeichen ά_λ bezeichnet. In der Anordnung 12 trägt sie das Bezugszeichen d₂ usw., und in der Anordnung 15 weist sie das Bezugszeichen d₅ auf.

Bei den Schaltungsteilen 6, 7, 8 und 9 handelt es sich um Hybrid-Transformatoren, welche zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisen.

Die Eingänge des Transformators 6 sind mit dem Ausgang ά_γ der Anordnung 11 und mit dem Ausgang ^₂ der Anordnung 12 verbunden.

Die Eingänge des Transformators 7 sind mit dem Ausgang d₃ der Anordnung 13 und dem Ausgang d_A der Anordnung 14 verbunden. Die Eingänge des Transformators 8 sind mit dem Ausgang d₆ des Transformators 6 und dem Ausgang d₇ des Transformators 7 verbunden.

Die Eingänge des Transformators 9 sind mit dem Ausgang d₈ des Transformators 8 und dem Ausgang d₅ der Anordnung 15 verbunden.

Der Ausgang dg des Transformators 9 ist über ein Tiefpaßfilter 10 an eine Ausgangsklemme 16 angeschlossen.

Die anderen Ausgänge der Transformatoren 6, 7, 8 und 9, nämlich dl, άή, du und dg', liegen jeweils über einen Widerstand r₆ ... r₉ an Masse.

Es ist bekannt, daß dann, wenn an die Eingänge eines Hybrid-Transformators, wie die Transformatoren 6 bis 9, sinusförmige Signale von gleicher Frequenz angelegt werden, die in Phase sind und die Amplitude A und B aufweisen, man an den Ausgängen (etwa auf die Einfügungsverluste genau, die gering gehalten werden können) sich in Phase befindende Signale mit

der Amplitude

A-B , A+B , ,
-j=- und -y~- erhalt.

Die Transformatoren T, die alle identisch sind, senken die Spannungen im Verhältnis 1:2 ab. Da die Sekundärwicklung an 50 Ω angepaßt ist, ist die Eingangsimpedanz der Hybrid-Transformatoren, die Lastimpedanz der Transistoren Q, Q', in jeder der Anordnungen 11 ... 15 gleich 12,5 Ω.

Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Bei einer negativen Polarität des Eingangssignals werden die binären Zeichen auf Grund der Wirkung der Verknüpfungsglieder P an die Verstärker A und die Transistoren Q — im oberen Zweig — einer jeden der Anordnungen 11... 15 angelegt.

Bei einer positiven Polarität des Eingangssignals legen die Verknüpfungsglieder P' die binären Zeichen an die Verstärker A' und die Transistoren Q', nämlich an den unteren Zweig. Es ist sofort zu ersehen, daß die Phase der Ausgangsströme bezüglich der negativen Polarität entgegengesetzt ist, was auch richtig ist.

Die Aiisgangssignale der Anordnungen 11, 12, 13, 14, 15 haben jeweils die Gewichte 1, 2, 4, 8, 16.

Die Signale 1 und 2 werden, falls sie existieren, am Ausgang des Transformators 6 addiert.

Die Signale 4 und 8 werden, falls sie existieren, am Ausgang des Transformators 7 addiert.

Am Ausgang des Transformators 8 erhält man die Summe der Signale vom Gewicht 1, 2, 4, 8. Am Ausgang des Transformators 9 erhält man die Summe der Signale aller Gewichte 1, 2, 4, 8, 16.

Die Signale mit den Gewichten 1, 2, 4, 8 durchlaufen drei Hybrid-Transformatoren, und die Signale vom Gewicht 16 durchlaufen zwei Hybrid-Transformatoren.

Mit U wird die Amplitude des verstärkten Signals am Ausgang beim Modulationsscheitelwert bezeichnet ([/=100V für eine Leistung von 100 W PEP »Spitzen-Hüllkurven-Leistung« [effektive Leistung des HF-Signals beim Modulationsscheitelwert] an einer Impedanz von 50 Ω).

Zur Wiederherstellung dieser Spannung U mit einer der Anzahl von gewählten Binär-Stufen entsprechenden Annäherung müssen folgende fünf Gewichtselemente angefügt werden: U/32, 17/16, U/S, UJA, U/2, was zu einem Gesamtwert von U · 31, 32 führt, der bis auf etwa 3% gleich U ist.

Da jeder Hybrid-Transformator einen Ubergangs-

koeffizienten von -^= besitzt, müssen an den fünf Eingängen d_t ... d₅ unter Berücksichtigung der vorstehenden Erläuterungen die folgenden Spannungen gegeben sein (da das letzte Signal einen einzigen Hybrid-Transformator durchläuft und die anderen drei Hybrid-Transformatoren):

A- Kf

2-n

J7

Ti

u__

Die Eingänge besitzen die gleiche Impedanz, beispielsweise 50 Ω. Die Ausgänge müssen mit der gleichen Anpassungsimpedanz von 50 Ω belastet sein. Die Widerstände r₆ ... r_g haben somit den Wert 50 Ω.

An jedem der Ausgänge d^ ... dg wird die Summe der zwei entsprechenden Eingangssignale erhalten. An einem der Ausgänge dl... dg' gelangt die Differenz der Signale an einen Widerstand j-₆ oder r₇ oder r₈ oder r₉.

Unter Berücksichtigung des Verhältnisses 2 der Ausgangstransformatoren der Transistoren werden die Speisespannungen U folgende Werte besitzen, wenn in erster Nahrung die Sättigungsspannung der Transistoren vernachlässigt wird:

U₇ =

.16· Ϋ2

U
8· Ϋ2

'S '•tJ

V. =

Für U = 100 V ergeben sich somit folgende Speisespannungen:

4,5 9, 18, 36, 36VoIt.

Das Verhältnis der Impedanztransformation der Transformatoren T ist 4. Für eine Eingangs- und Ausgangsimpedanz der Hybrid-Transfprmatoren von 50 Ω ist die Belastungsimpedanz Z der Transistoren Q und Q' gleich 12,5 Ω.

Die zu schaltenden Ströme (gleich U/Z) betragen etwa (//12,5, nämlich ungefähr:

0,36, 0,72, 1,45, 2,9, 2,9 Ampere.

Es könnte ein Hybrid-Transformator üblicher Bauart mit folgenden Charakteristiken verwendet werden:

Mittlere übertragene Leistung 500 W

Scheitelleistung 1 kW

Einfügungsverlust 0,5 db

Durchlaßfrequenzband ...... 2 bis 32 MHz

Das Filter 10 muß eine Grenzfrequenz besitzen, die etwas über der maximal zu übertragenden Frequenz liegt, welche beispielsweise auf 30 MHz festgelegt ist. Die Aufgabe dieses Filters ist es, insbesondere die Komponenten mit der Abtastfrequenz und ihre Harmonischen sowie ihre Seitenbänder zu beseitigen.

Für eine Abtastfrequenz von 72 MHz mit einer zu verstärkenden Frequenz von 30 MHz befindet sich die erste zu beseitigende Frequenz bei 42 MHz.

Da die Transistoren im Schalterbetrieb mit Sättigung arbeiten, ist die Linearität des Ausgangssignals unabhängig von der Form der Charakteristiken der Transistoren gewährleistet. Insbesondere ist das Ausgangssignal frei von Harmonischen ungeradzahliger Ordnung, welche bei der Betriebsart A oder AB existieren. Die Quantisierung der Amplituden hat ein Quantisierungsrauschen zur Folge, und dieses Rauschen kann unter jeden beliebigen vorher festgelegten Wert verringert werden, indem die Anzahl der Quantisierungsstufen vervielfacht und die Abtastfrequenz erhöht wird.

Die Berechnung des Wirkungsgrades zeigt, daß er sich entsprechend dem Augenblickswert der Amplitude zwischen 49 und 72% ändert. Dieser Wert ist verglichen mit dem Wirkungsgrad von 30% sehr günstig, der im /!-Betrieb erhalten wird, welcher allein ohne Korrekturen eine zufriedenstellende Linearität liefert, während im B-Betrieb Korrekturen erforderlich sind, die, wie gezeigt wurde, im vorliegenden Fall schwierig durchzuführen sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Leistungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad und geringem Verzerrungsgrad, der ein periodisch abgetastetes und vorzugsweise in 2" positive oder negative Amplitudenstufen quantisiertes Eingangssignal verstärkt, wobei jeder Amplitudenstufe durch

ίο ein Wort mit η Binärzeichen dargestellt ist, welches den Augenblickwert eines abgetasteten Eingangssignals in Form einer Addition von π Werten in binärer Reihe ausdrückt, gekennzeichnet durch« einzelne Impulsverstärker, welche, vorzugsweise im C-Betrieb, als Schaltverstärker arbeiten, und zwar mit stets zueinander identischer Aussteuerung entsprechend dem Aufbau des jeweiligen Wortes, sowie passiven Summierungseinrichtungen, welche eine vollständige Entkopplung der einzelnen Impulsverstärker gewährleisten.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der η Einzelverstärker eine in Abhängigkeit von dem am Ausgang abzugebenden Leitungsniveau eingestellte Speisespannung zugeführt ist.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einzelverstärker mit einer bestimmten Verstärkung einen symmetrischen Aufbau mit einem Zweig Tür die positiven Amplitudenwerte und einem Zweig für die negativen Amplitudenwerte aufweist und daß die zwei Kanäle durch eine Wandlereinrichtung zusammengeführt sind, beispielsweise einen Transformator, dessen symmetrische Primärwicklung einen Mittelabgriff besitzt und dessen Sekundärwicklung einseitig mit Masse verbunden ist.

4. Leistungsverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Analyse der zu verstärkenden Amplituden werte eine Informationseinrichtung für das Vorzeichen der augenblicklichen Polarität vorgesehen ist und daß diese Information dazu dient, das Aussteuersignal auf einen der Zweige, nämlich den positiven oder negativen Zweig umzuschalten.

5. Leistungsverstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsteile von der Art eines Differentialtransformators (Hybrid-Transformatoren) vorgesehen sind, um paarweise die Signale zu addieren, welche von den verschiedenen Einzelverstärkern geliefert werden.

6. Leistungsverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von zwei Hybrid-Transformatoren abgegebenen Signale den Eingängen eines weiteren Hybrid-Transformators zugeführt werden und daß dieser Vorgang sich bis zur Summierung aller Signale fortsetzt und daß ein zusätzlicher Hybrid-Transformator vorgesehen ist, wenn die Anzahl der Quantisierungsstufen η ungeradzahlig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen