DE1953755C - Leistungsverstärker mit hohem Wirkungsgrad und geringem Verzerrungsgrad - Google Patents

Description

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

Ein Verstärker der angestrebten Art könnte beispielsweise folgendermaßen beschrieben werden: Verstärkung 40 db (0,1 VV 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 A-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 v.'ird 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 Maximalfrequcn/ des zu übertragenden Frequenzbandes entlernt ist. Daraus folgt, daß die für Hie 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 rr.it einem Γ-Verstärker mit einem Quasi-Impulsbctricb erholu·· VVistärkungsleistungen. bzw. ein erhöhter Verstärkung
wirkungsgrad erhalten wird.

Aus der deutschen Patentschrift 1 175 736 ist es bekannt, bestimmte Signalteile, beispielsweise positive .jo und negative, über getrennte Kanäle Verstärkern zuzuführen.

Ferner im es aus der deutschen Patentschrift 1 244 S4K bekannt, den Einzelverstat kerstufcn eines mehrstufigen Impulsverstärkers mil Transistoren in 4'· Basisschaltung und induktiver \erkoppluny der Einzclstufcn eine Speisespannung zuzuführen, deren Absolutwert von Stufe zu Stufe steigt.

Schließlich isl es bekannt, eine rhcrlraiiiiiiL' durch kodierte Impulse vorzunehmen, bei der der periodisch .^;" entnommene Augenblick ^vert in dem Bin;i:-;y,tem qu.mtisiert wirl und die it\lc:i A s η; ·!:! r i< L-n- crl let'inicrcnde Information in Form eines /.urcs kodierter Impulse übcrirngcn wird, beispielsweise in Form ' »n fimf 'mpulscn für cmc Quantifizierung mil 32 Ab.solui- ö werten, nämlich mit einer zusätzlichen Pol:;rilätsinformation für 31 positive Amplitudcnsvcrte und

31 negative Arnplitudenwerle zusätzlich des Wertes für die Amplitude Null.

Der Erfindung liegt zur Erzielung unev Verstärkung '■■'< auf qiiantisie; :cn AmplitudcPACiten diese·, i'rin/ip d

Gemäß der Erfiruh.ng wird in einem ! 'isinnj/.s-UMSläiker ein zu vci Wirkendes Signal liiv (,)· ar.hsicrimp mittels an sich bekannter I inrichUi, ^en unter zogen, wcluic für jede Amplituucnsh Ic ■ m Wen von /1 binären Zeichen an parallelen Λ ..-;.:;m,...n liefern, vnjtci jedes Zeichen entsprechend seiner· Ordnung ein spezifisches numerisches Gewicht ί 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 erhaltene Summe da? verstärkte Signal repräsentiert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein zum Ansprechen auf ein Signal vom Gewicht ι 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 Signah erstärkung mit besonders gutem Wirkungsgrad und außerordentlich geringer Verzerrung ermöglicht wird.

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

In dieser Zeichnung isl mit dem Bezugszeichen 1 eine Eingangsklcmme für das zu verstärkende Signal bezeichnet. Dieses Signal wird gleichzeitig einem an sich bekannten Poiaritäts-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 Amplitudenstiifen (0, 1. 2 ... 31) erfolgt, und zwar mit Zügen von fünf Impulsen de? jeweiligen Gewichts (1). (2), (4). (8). (!6).

Der Polaritäts-Detckto. 2 ka^i: von beliebiger an sich bekannter ,-\rt sein. Er ist zwar im einzelnen nicht beschrieben, v.ird jedoch beispielsweise aus einer λ luii'u'u: ' i-r, ,'.'.ei antiparallel angeordneten Dioden bestehen, ujlche an einem Ausgang (Ausgang -I 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 · I die jeweils komplementären /eichen liefert.

Is ist ebenfalls bekannt, den Wandler 3 in verschiedener Weise aufzubauen, wobei cmc der \erbreitet?ten Arten darin besteht, einen ankommenden Abtastwert / mi', einem festen Wert .V zu \ergleichen. d;:nn. v.enn das Signal / Jen Wert Λ iibci schreitet, du Differenz /-.V mit 2 zu multiplizieren, oder dann, wenn das Signal / den Wert Λ nicht iibcr.itcigt. das Si.^u.il ! selbst mit ."* /i. liültiplizieren und .'im/p neuen Wit-'leich mil deriiseil-Mi Wat V sorzunehmen. ti.ui so weiter, wobei der Verglich und ti ic Multiplikation int \ οι liegenden lall fünfmal wiederholt werden. Jedesmal dann, wenn eine nbcrschrcitung des Wertes .V vorliegt, wird ein Kodierinipuls ausgesandt. Der Wandler 3 besitz! eine Sericn-Parallcl-Wandlervorrielitung bekannter Baua'l. Beispielsweise werden die füi jcde^r. analysierten \mp!itudcnwcn erzeugten Mirrirzeicren in Speichel (Kippstufen) eingeschrieben, welche gl/iehzdtig auf ilen Befehl eines Taktgeber.s •.lesen Wi Hen.

">ie von 'cm l'olarilats Detektor 2 und dein Wandler 3 abges:'. ^1f nci Sign.lic werden fünf Anordnungen II. 12 13 I¹ !5 μ- identischem Aufbau ziigcführ'.. Jede dieser Anordnungen enthält ein erstes UND-Glied/' mit zwei Eingängen r/./>. einen ersten Vcr-

stärker A, dessen Ausgangsstufe einen Transistor Q aufweist, ein zweites UND-Glied P' mit zwei Eingängen a\ b\ sowie einen zweiten Verstärker A\ 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 Eingange α der Glieder/³ sind mit dem Ausgang » —« dos Detektors der Polarität 2 verbunden: die Eingänge j' der Glieder P' sind mit dem Ausgang » + « des Detektors der Polarität 2 verbunden: die Eingänge h und b' der Glieder P und P' jeder der Anordnungen '5 Il 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 L/, in der Anordnung 13, den Wert (Z₄ in der Anordnung 14 und den Wert U₅ in der Anordnung 15. Ein Ende .!er Sekundärwicklung des Transformators T liegt .in Masse, und das andere Ende ist mit einer Ausgangs-'■Jemme J verbunden. In der Anordnung 11 ist die \u>.gangsklemme mit dem Bezugs/eichen ;/, bezeich-■ict. In der Anordnung 12 trägt sie das Bezugszeiehen .. usw., und in der Anordnung 15 weist sie das Bezugs-•■eidien J₅ auf.

Bei den Schaltungsteilen 6, 7. 8 und 9 handelt e* ich um Hybrid-Transformatoren. welche zwei Einginge und zwei Ausgänge aufweisen.

Die Eingänge des Transformators 6 sind mit dem \usgang (Z₁ der Anordnung 11 und mit dem Ausgang ;'■ der Anordnung 12 verbunden.

Die Eingänge des Transformators 7 sind mit dem \i.Hgangi/, der Anordnung 13 und dem Ausgang J₄. der Anordnung 14 verbunden. Die Eingänge des i ransformators 8 sind mit dem Ausgang J,, des Transformators 6 und dem Ausgang J₇ des Transformators 7 verbunden.

Die Eingänge des Transformators 9 sind mit dem \usgang J_n des Transformators 8 und dem Ausgang i/s der Anordnung 15 verbunden.

Der Ausgang ti, des Transformators 9 ist über ein I iefpaßfiltei 10 an eine Ausgangsklemme 16 angeschlossen.

Die anderen Ausgänge der Transformatoren 6. 7. S und 9, nämlich </„'. (/-'. d* und </,'. liegen jeweils über .■ircn Widerstand r₍, . . . r,, an Masse.

Es ist hckannt. daß datin, wenn an die Eingänge .■ines Hybrid-Transforniators. wie die 1 ransformato- ?ⁿ ι en ft bis 9. MiHisförniiiVJ Signale von gleicher Erequcn/ .mgflegt werden, die in Phas; sind ιίηΙ die Amplitude I und Ii aufweisen, man an den Ausgängen letwa auf die Einfiiguiigsverhiste genau, die genug gehalten werden können) sich in Phase befindende Signale mit Die Transformatoren T, die alle identisch sind, senken die Spannungen im Verhältnis 1 :2 ab. Da die Sekundärwicklung an 50 U angepaüi ist, ist die Eingangsimpedanz der Hybrid-Transformaioren, die Lastimpedanz der Transistoren Q, Q\ in jeder der Anordnungen 11 ... 15 gleich 12,5 Li.

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 Ausgangsscröme bezüglich der negativen Polarität entgegengesetzt ist. was auch richtig ist. Die Ausgangssignale 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 Aus gang des Transformators 9 erhält man die Summe der Signale aller Gewichte 1. 2. 4, 8. 16.

Die Signale mit den Gewichten 1. 2. 4. S 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 Modulationsscheitelwcrt bezeichnet (U=IOOV für eine Leistung von 100 W PEP »Spitzen-EIüllkurven-Lcistung« [effektive Leistung des HP-Signals beim Modulationsscheitelwert] an einer Impedanz von 50 Ll).

Zur Wiederherstellung dieser Spannung L' mit einer der Anzahl von gewählten Binär-Stufen entsprechenden Annäherung müssen folgende fünf Gewichtsclcmcnle angefügt werden: (.',32. U 16. Γ8. [ 4. L' 2. was zu einem Gesamtwert von L'· 31. 32 führt, der bis auf etwa 3% gleich I/ ist.

Da jeder Hybrid-Transformator einen r'bergangs-

koeffizicntcn von ^ besitzt, müssen an den fünf

der Amplitude

■I /*

und

ι t /;

erhält.

Dir ringäiiuc besitzen die ['!eiche Impedanz, bcispicls.vcis.¹ "\) Ii. Die Ausgänge müssen mit der ^ft0 gleichen Anpassungsimpcdan/ von 50 /.' belastet sein. Die Widerstände/·,,... r,, habet) somit den Wert 50 ü.

An jedem der Ausgänge r/,,. . ti, wird die Summe der zwei entsprechenden Eingangssignalc erhalten. ^(l5 An einem der Ausgänge </,,'. . . </„' gelangt die Differenz der Signale an einen Widerstand r_f, oder r- oder r_s oder r_u.

Eingängen </,... </,, unter Berücksichtigung der vorstehenden Erläuterungen d'e folgenden Spannungen gegeben sein (da das l»;t/.tt Signal einen ein/igen I Ubrid-Transformator durchläuft und die anderen drei I lybrid-1 ransformatoren I"

Unl'T Berücksichtigung des \''-rhijltn>s ■; 2 der

Aiisgangstransformatoren der Trat) istorci werden

die Speisespannungen U folgende Werte 'vsit/en.

wenn in erster Nährung die Sätt'gungsspannung der Transistoren vernachlässigt wird:

L₄ =

2 ' 1 -

2 ■ 12

ίο

Für U = 100 V ergeben sich somit folgende Speisespannungen:

4.3 y. ib. Mi, Jö volt.

Das Verhältnis der Impedanztransformation der '5 Transformatoren T ist 4. Für eine Eingangs- und Ausgangsimpedanz der Hybrid-Transformatoren von 50 il ist die Belastungsimpedanz Z der Transistoren Q und Q' gleich 12.5 Ll.

Die zu schaltenden Ströme (gleich U/Z) betragen etwa U₁ 12.5. nämlich ungefähr:

0.36. 0,72, 1.45, 2.9. 2.9Ampere.

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

Mittlere übertragene Leistung 500 W Scheitelleistune 1 kW EinfügungsverlusY '. '.'.'.'.V.'.'.'. 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 Rausehen 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 "12"ο ändert. Dieser Wert ist verglichen mit dem Wirkungsgrad von 30° ο sehr günstig. der im -i-Betrieb erhalten wird, welcher allein ohne Korrekturen eine zufriedenstellende Linearität liefert. während im ß-Betrieb Korrekturen erforderlich sind.

die. wie gezeigt wurde, im vorliegenden Fall schwierig durchzufiihren sind.

Claims (6)

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 ein Wort mit η Binärzeichen dargestellt ist. welches den Augenblickwert eines abgetasteten Eingangssignals in Form einer Addition von η Werten in binärer Reihe ausdrückt, gekennzeichnet d u r c h η 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, da^du[^ch gekennzeichnet daß jeder Einzelverstärker

^emer test'^01011611 Verstärkung einen symmetnsehen Aufbau mit einem Zweig für 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 Amplitudenwerte eine Informationseinrichtung für das Vorzeichen der augenblickliehen Polarität vorgesehen ist und daß diese Information dazu dient, das Aussteuersignal aul einen der Zweige, nämlich den positiven oder negativen Zweig umzuschalten.

5. Leistungsverstärker nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungs eile vor der Art eines Differentialtransformators (Hybrid Transformatoren) vorgesehen sind, um paarweist die Signale zu addieren, welche von den verschie denen Einzelverstärkern geliefert werden.

6. Leistungsverstärker nach Anspruch 5. da durch gekennzeichnet, daß die \on zwei Hybrid Transformatoren abgegebenen Signale den Ein gangen eines weiteren Hybrid-Transformators zu geführt werden und daß dieser Vorgang siel bis zur Summierung aller Signale fortsetzt und dal ein zusatzlicher Hybrid-Transformator vorgesehei ist. wenn die Anzahl der Quantisierungsstufen η un ceradzahlia ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen