DE19623930A1 - Verfahren zum Schutz eines Verstärkers gegen Übersteuerung sowie Anordnung hierzu - Google Patents
Verfahren zum Schutz eines Verstärkers gegen Übersteuerung sowie Anordnung hierzuInfo
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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.
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.
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.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einem
Blockschaltbild dargestellt.
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 (7)
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).
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