DE19623930A1

DE19623930A1 - Verfahren zum Schutz eines Verstärkers gegen Übersteuerung sowie Anordnung hierzu

Info

Publication number: DE19623930A1
Application number: DE1996123930
Authority: DE
Inventors: Juergen Schaeufler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Tesat Spacecom GmbH and Co KG
Priority date: 1996-06-15
Filing date: 1996-06-15
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2016-06-16
Also published as: DE19623930B4

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Schutz eines Verstärkers, insbesondere eines Mikrowellenverstärkers, gegen Übersteuerung, wobei der Verstärker aus kaskadierten Verstärkermodulen besteht, denen jeweils ein einstellbares Dämpfungsglied vorgeschaltet ist und wobei den Dämpfungsgliedern Stellsignale zur Einstellung ihres Dämpfungsgrades zugeführt werden.

Stand der Technik

Um Verstärker gegen Übersteuerungen zu schützen, werden insbesondere bei Mikrowellenverstärkern Verstärkermodule verwendet, denen jeweils über Stellsignale steuerbare Dämpfungsglieder vorgeschaltet sind. Ein solcher Verstärker mit Übersteuerungsschutz ist beispielsweise aus der DE 37 42 270 A1 bekannt. Es sind dort Meßfühler vorgesehen zur Messung der Verstärkerausgangsleistung der einzelnen Verstärkermodule. Das eingangsseitige Dämpfungsglied wird dort so eingestellt, daß ein Schwellwert, der einer bestimmten Verstärkung im linearen Verstärkungsbereich entspricht, nicht überschritten wird.

Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 6 läßt sich ein Übersteuerungsschutz für einen Verstärker eingangs genannter Art verwirklichen, der unabhängig vom Betriebszustand sicher arbeitet.

Um das erste Verstärkermodul gegen unzulässige Eingangspegel zu schützen, muß im allgemeinen ein Dämpfungsglied an den Anfang der Verstärkerkette gestellt werden. Aus Gründen der Schaltungsvereinfachung werden die Dämpfungsglieder üblicherweise synchron angesteuert, d. h. alle weisen die gleiche Dämpfung auf. Dadurch weist der Gesamtverstärker eine hohe Rauschzahl auf. Um den Verstärker gegen echte Übersteuerung zu schützen, wird meistens noch ein weiteres Detektormodul hinter das erste Dämpfungsglied, d. h. ebenfalls vor das erste Verstärkermodul gesetzt. Dies wirkt sich ebenfalls ungünstig auf die Rauschzahl aus und erfordert ein weiteres Modul. Diese Nachteile lassen sich bei der Erfindung vermeiden.

Im Fixed Gain Mode (FGM) ist bei synchron laufenden Dämpfungsgliedern im Fall interner Übersteuerung die Position des zuerst übersteuerten Verstärkermoduls nicht eindeutig festlegbar. Dadurch entsteht die Notwendigkeit, alle Verstärkermodule zu überwachen. Dies kann dadurch realisiert werden, daß man die Arbeitspunkte der Verstärker kontrolliert, also z. B. Gate-Strom oder Drain-Strom überwacht. Übersteuerung kann jedoch die Arbeitspunkte in beide Richtungen verändern. Deshalb erfordert ein zuverlässiger Übersteuerungsschutz einen hohen Schaltungsaufwand, z. B. die Überwachung der Arbeitspunkte jedes Transistors mittels Fensterdiskriminatoren, was bei der Erfindung nicht notwendig ist.

Mit der Erfindung können Verstärker insbesondere gegen Übersteuerungen für die zwei unterschiedlichen Betriebszustände:

- ALC (Automatic Level Control), d. h. geregelte konstante Ausgangsleistung unabhängig von der Eingangsleistung,
- FGM (Fixed Gain Mode), d. h. einstellbare feste Verstärkung mit variabler Ausgangsleistung,

geschützt werden.

Mit den Maßnahmen nach der Erfindung können sowohl echte Übersteuerungen, bei denen der Eingangspegel den normalen Betriebsbereich überschreitet (bis hin zu Pegeln bei denen die Verstärkermodule geschädigt werden), wie auch interne Übersteuerungen, bei denen im Betriebszustand FGM bei einer vorgewählten hohen Verstärkung die Eingangsleistung innerhalb des normalen Betriebsbereiches so groß wird, daß in der Verstärkerkette einzelne Verstärkermodule übersteuert werden, vermieden werden.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einem Blockschaltbild dargestellt.

Beschreibung eines Ausführungsbeispieles

Wie die Figur zeigt, besteht der Verstärker aus kaskadierten Verstärkermodulen V1, V2, V3, denen jeweils ein einstellbares Dämpfungsglied T1, T2 bzw. T3 vorgeschaltet ist. Das Mikrowelleneingangssignal ist mit RFin bezeichnet und das Verstärkerausgangssignal mit RFout. Die Aufbereitung der Stellsignale für die Dämpfungsglieder T1, T2 und T3 und damit die Einstellung ihres Dämpfungsgrades erfolgt über die Steuereinrichtung "Amplifier Control Board". Das eingangsseitige Dämpfungsglied T1 wird im normalen Betrieb unabhängig vom Betriebszustand ALC oder FGM im Zustand einer Grunddämpfung gehalten, um die Rauschzahl so klein wie möglich zu machen. Am Ende der Verstärkerkette ist ein Detektor D1 für den ALC-Betrieb vorgesehen zur Gewinnung eines Signals in Abhängigkeit von einer Verstärkerausgangsgröße, z. B. Ausgangspegel oder Ausgangsspannung. Diese Detektorspannung wird als Regelgröße Vdet auf einen ersten Komperator K1 gegeben, der in Abhängigkeit von einem festen oder wie hier vorgegebenen wählbaren Schwellwert ALCref die inneren Dämpfungsglieder ansteuert, um den Ausgangspegel konstant zu halten. Als innere Dämpfungsglieder werden nachfolgend alle Dämpfungsglieder mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes bezeichnet. Durch diese Regelung ist der Verstärker im ALC-Zustand immer gegen interne Übersteuerung geschützt. Im Falle echter Übersteuerung, d. h. der Eingangspegel überschreitet den normalen Betriebsbereich, versucht die ALC-Regelung die Dämpfung der inneren Dämpfungsglieder T2, T3 immer weiter zu erhöhen, bis der Regelbereich erschöpft ist. Die gewählte Lösung realisiert den Übersteuerungsschutz durch eine Überwachung der Stellgröße der inneren Dämpfungsglieder - z. B. Strom durch einen Shuntwiderstand R1. Dazu ist der Einrichtung E1 zur Aufbereitung des Stellsignals ein Strom-/Spannungswandler beigeordnet. Sobald der Strom einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Übersteuerungsschutz aktiv, d. h. der der Einrichtung R1 nachgeschaltete Übersteuerungsschutzdetektor D2 spricht an und erhöht die Dämpfung des ersten Dämpfungsgliedes T1. Die Stellgröße der inneren Dämpfungsglieder T2, T3 ist als Regelkriterium wesentlich zuverlässiger und eindeutiger als die Arbeitspunkte der Verstärkermodule. Mit Kenntnis der Pegelverhältnisse innerhalb der Verstärkerkette läßt sich der Schwellwert für den Übersteuerungsschutz so wählen, daß der Regelbereich der inneren Dämpfungsglieder nicht voll ausgenutzt werden muß.

Im FGM-Zustand werden die inneren Dämpfungsglieder T2, T3 üblicherweise auf einen festen Wert eingestellt, der der gewählten Verstärkung entspricht. Die Ausgangsleistung wird nicht überwacht. Die Lösung für den Übersteuerungsschutz im FGM-Zustand basiert auf der Tatsache, daß echte und interne Übersteuerung auch im FGM-Zustand an dem Überschreiten eines bestimmten Ausgangspegels zu erkennen sind. Zur Realisierung des Übersteuerungsschutzes im FGM-Zustand wird die Ausgangsgröße Vdet auf einen zweiten Komparator K2 gegeben und dort mit einem Schwellwert FGMref verglichen. Dieser Schwellwert wird so gewählt, daß er einer Ausgangsleistung entspricht, die mit einem gewissen Sicherheitsabstand über den normalen, im FGM-Zustand möglichen Ausgangspegeln liegt. Dann wird der Übersteuerungsschutz aktiv und fügt über einen Addierbaustein A1 am Ausgang des zweiten Komparators K2 der eigentlichen Regelgröße für die Verstärkung einen Korrekturwert zu, der die Dämpfung der inneren Dämpfungsglieder wieder erhöht. Diese Form der Regelung wandelt im Falle einer internen Übersteuerung den FGM-Zustand sozusagen automatisch in eine ALC-Regelung um, die aber nur so lange wirkt, wie die Übersteuerung anhält. Danach kehrt der Verstärker automatisch in den FGM-Zustand mit der vorher eingestellten Verstärkung zurück. Der Schutz gegen echte Übersteuerung ist wie in ALC-Zustand dadurch realisiert, daß bei Überschreiten der Ausgangsschwelle zuerst die inneren Dämpfungsglieder T2, T3 angesteuert werden und beim Überschreiten der Schwelle für deren Stellgröße über die Übersteuerungs-Erkennung - Übersteuerungs-Schutzdetektor D2 - das erste Dämpfungsglied T1 aktiv wird.

Der Schutz gegen echte Übersteuerung im ALC-Zustand (innere Übersteuerung kann in diesem Betriebsmodus bei vernünftiger Dimensionierung wie zuvor erwähnt nicht vorkommen) wird unmittelbar aus der Stellgröße der inneren Dämpfungsglieder T2, T3 abgeleitet. Ein zusätzliches Detektormodul am Eingang des Verstärkers ist nicht notwendig. Dadurch kann das erste Dämpfungsglied T1 im normalen Betriebsbereich in seiner Grunddämpfung verbleiben, was sich günstig auf die Rauschzahl auswirkt. Zudem ist die Stellgröße der inneren Dämpfungsglieder ein zuverlässiges und eindeutiges Regelkriterium, das sich mit geringem Schaltungsaufwand überwachen läßt.

Der Übersteuerungsschutz im FGM-Zustand wird aus den gleichen Regelkriterien abgeleitet wie im ALC-Modus. Eine abgekoppelte Kontrolle der Verstärkerarbeitspunkte (hoher Schaltungsaufwand, da kein eindeutiges Regelkriterium) ist nicht notwendig. Der Schwellwert für den Übersteuerungsschutz wird so definiert, daß die Regelung in normalen Betriebsbereichen nicht eingreift und erst bei interner Übersteuerung den FGM-Zustand automatisch in einen ALC-Modus umwandelt. Der Verstärker behält sein "Gedächtnis", d. h. nach Abklingen der Übersteuerung kehrt er zu der vorher eingestellten Verstärkung zurück. Kontrollmaßnahmen von außen, z. B. ein Reset oder eine Neueinstellung der Verstärkung sind nicht notwendig.

Zur Wahl der Betriebsart - ALC- oder FGM-Betrieb - ist eine Umschaltstufe U1 zur wahlweisen Durchschaltung der Ausgangssignale der beiden Komperatoren K1 bzw. K2 zur Einrichtung E1 vorgesehen. Gesteuert wird diese Umschaltstufe U1 durch das Signal TCmode, d. h. beispielsweise ein Telemetriesignal für die Betriebsart. Die Festlegung des dem Addierbaustein AD1 zugeführten Korrektursignals und des Schwellwertes ALcref erfolgt beispielsweise über ein Telemetriesignal Tcdata das, gesteuert von einem Betriebsmodenumschalter BS, jeweils einer Auswertestufe (Gain Select Logic bzw. Output Power Select) zugeführt wird und mittels D/A-Wandlern in Analogsignale umgewandelt wird.

Claims

1. Verfahren zum Schutz eines Verstärkers, insbesondere eines Mikrowellenverstärkers, gegen Übersteuerung, wobei der Verstärker aus kaskadierten Verstärkermodulen (V1, V2, V3) besteht, denen jeweils ein einstellbares Dämpfungsglied (T1, T2, T3) vorgeschaltet ist und wobei den Dämpfungsgliedern (T1, T2, T3) Stellsignale zur Einstellung ihres Dämpfungsgrades zugeführt werden, mit folgenden Schritten:

- das Stellsignal/die Stellsignale für die Dämpfungsglieder (T2, T3) mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes (T1) werden aus einer detektierten Ausgangsgröße des Verstärkers (V1, V2, V3) abgeleitet,
- das Stellsignal für das eingangsseitige Dämpfungsglied (T1) wird unmittelbar aus der/den Stellgröße/n für das übrige/die übrigen Dämpfungsglied/er (T2, T3) aufbereitet, wobei diese Stellgröße/n einer Bewertung durch einen vorgegebenen Schwellwert unterzogen wird/werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- in einem ersten Betriebszustand mit geregelter konstanter Ausgangsleistung (ALC) wird eine erste Stellgröße, die aus einem Verstärkerausgangspegel abgeleitet ist, für die einstellbaren Dämpfungsglieder (T2, T3) mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes (T1) überwacht und bei Überschreiten dieser Stellgröße über einen ersten Schwellwert (ALcref) wird ein Stellsignal zur Erhöhung der Dämpfung für das eingangsseitige Dämpfungsglied (T1) aufbereitet,
- in einem zweiten Betriebszustand mit einstellbarer fester Verstärkung (FGM) wird zu einer festen Stellgröße ein Korrekturwert (F1) derart hinzugefügt, daß die Dämpfung der Dämpfungsglieder (T2, T3) mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes (T1) zunimmt, und bei Überschreiten der festen Stellgröße mitsamt dem Korrekturwert über den ersten Schwellwert ein Stellsignal zur Erhöhung der Dämpfung für das eingangsseitige Dämpfungsglied (T1) aufbereitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eingangsseitige Dämpfungsglied (T1) im Normalbetrieb im Zustand einer festen Grunddämpfung gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten Betriebszustand mit einstellbarer fester Verstärkung (FGM) die Dämpfungsglieder (T2, T3) mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes (T1) auf einen festen Wert eingestellt werden, der der gewählten Verstärkung entspricht, und daß die detektierte Ausgangsgröße mit einem zweiten Schwellwert (FGMref) verglichen wird, der so gewählt ist, daß er einer Ausgangsleistung entspricht, die mit einem vorgegebenen Sicherheitsabstand über den in diesem Betriebszustand normalerweise möglichen Ausgangspegeln liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des zweiten Schwellwertes der Stellgröße für die Verstärkung ein Korrekturwert hinzugefügt wird, der die Dämpfung der Dämpfungsglieder (T2, T3) mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes (T1) erhöht.

6. Anordnung zum Schutz eines Verstärkers, insbesondere eines Mikrowellenverstarkers, gegen Übersteuerung, wobei der Verstärker aus kaskadierten Verstärkermodulen (V1, V2, V3) besteht, denen jeweils ein einstellbares Dämpfungsglied (T1, T2, T3) vorgeschaltet ist, und wobei den Dämpfungsgliedern (T1, T2, T3) Stellsignale zur Einstellung ihres Dämpfungsgrades zugeführt werden mit folgenden Merkmalen:

- einem ausgangsseitigen Detektor (D1) zur Gewinnung eines Signals in Abhängigkeit von einer Verstärkerausgangsgröße,
- einem ersten Komparator (K1) zum Vergleich des Detektorausgangssignals mit einem vorgegebenen ersten Schwellwert (ALcref),
- einer Einrichtung (E1) zur Aufbereitung eines Stellsignals für die Dämpfungsglieder (T2, T3) mit Ausnahme des eingangsseitigen Dämpfungsgliedes (T1),
- einem Übersteuerungsschutzdetektor (D2), welcher der Einrichtung (E1) nachgeschaltet ist und welcher geeignet ist, ggf. unter Zwischenschaltung einer Aufbereitungseinrichtung (E2), ein Stellsignal für das eingangsseitige Stellglied (T1) zu liefern.

7. Anordnung nach Anspruch 6 gekennzeichnet durch:

- einen zweiten Komparator (K2) zum Vergleich des Detektorausgangsignals mit einem vorgegebenen zweiten Schwellwert (FGMref),
- einem Addierbaustein (A1), der mit dem Ausgang des zweiten Komparators (K2) verbunden ist und der außerdem mit einem Korrekturwert (F1) beaufschlagbar ist,
- einer Umschaltstufe (U1) zur wahlweisen Durchschaltung der Ausgangssignale der beiden Komparatoren (K1, K2) zu der Einrichtung (E1).