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Die Erfindung betrifft einen Schaltkreis
mit einem Sender zum Senden eines Sendesignals zu einem Wandler
und mit einem Empfänger
zum Empfangen eines Empfangssignals von dem Wandler. Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Senden eines Sendesignals
zu einem Wandler und zum Empfangen eines Empfangssignals von dem
Wandler.
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Insbesondere betrifft die Erfindung
auch einen Sende/Empfangs-Schaltreis sowie ein Sende/Empfangs-Verfahren
für einen
Ultraschall-Wandler.
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Ultraschall-Wandler werden üblicherweise im
sogenannten Puls-Echo-Verfahren
betrieben. Solche Wandler müssen
demzufolge in der Lage sein, abwechselnd zu senden und zu empfangen.
Ein derartiger Ultraschall-Wandler kann aus einem oder mehreren
piezoelektrischen Einzelelementen aufgebaut sein, die beipielsweise
in einem linearen oder auch in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind.
Im Sendebetrieb werden diese Einzelelemente über elektrische Sendesignale,
die für
jedes Einzelelement gegebenenfalls in ihrer Phasenlage zueinander
versetzt sein können,
zu hochfrequenten Schwingungen angeregt. Dadurch wird ein Ultraschallpuls erzeugt,
der in ein abzubildendes Untersuchungsobjekt abgestrahlt wird. Der
genaue Fokusbereich dieses Ultraschallpulses im Untersuchungsobjekt
kann durch die Ansteuerung der piezoelektrischen Einzelelemente
des Ultraschall-Wandlers variiert. werden. Der Ultraschallpuls wird
innerhalb des Untersuchungsobjektes in Richtung des Ultraschall-Wandlers
reflektiert. Diese Reflexion kann beispielsweise an Diskontinuitäten im Untersuchungsmedium
wie z.B. Grenzschichten zwischen Materialien mit unterschiedlicher
akustischer Impedanz auftreten. Diese Echo-Pulse. bzw. reflektierten
Pulse werden von dem Wandler bzw. den Einzelelementen empfangen
und in ein entsprechendes elektrisches Empfangssignal umgewandelt.
Dieses wird einem Empfänger
zugeführt,
der mit einem sehr empfindlichen Vorverstärker ausgestattet ist, um den
in der Regel sehr niedrigen Signalpegel des Empfangssignals anzuheben.
Das verstärkte
Empfangssignal kann dann an einen Signalprozessor zur Bewertung
des Informationsgehalts und zur Generierung einer bildlichen Darstellung
weitergeleitet werden. Um eine effiziente Funktionsweise zu gewährleisten,
müssen
das Sendesignal und das Empfangssignal voneinander getrennt werden. Deshalb
ist jedes Wandler-Element mit einem Sende/Empfangs-Schaltkreis verbunden,
der das Wandlerelement selektiv entweder mit dem Sender oder dem
Empfänger
elektrisch verbindet. So ein Sende/Empfangs-Schaltkreis wird auch
als Sende/Empfangs-Weiche bezeichnet.
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Die Entkopplung des Senders von dem
Empfänger
ist prinzipiell wünschenswert,
da die Amplituden des gesendeten und des empfangenen Signals sehr
stark voneinander abweichen. Ein Wandlerelement wird typischerweise
mit einem Signalpegel von mehr als 100 V angeregt. Ein aus dem Untersuchungsobjekt
reflektiertes Empfangssignal weist dagegen eine sehr niedrige Spannungsamplitude
im mV-Bereich auf. Der Sende/Empfangs-Schaltkreis entkoppelt Empfänger und
Sender voneinander, um während
des Sendebetriebs eine Schädigung
des empfindlichen Vorverstärkers
im Empfänger
durch das leistungsstarke Sendesignal zu vermeiden. Außerdem verhindert
die Entkopplung während
des Sendebetriebs eine unerwünschte
Beeinflussung des Sendesignals, beispielsweise in Form einer Verzerrung,
durch den Empfänger.
Auf der anderen Seite ist eine Entkopplung von Empfänger und
Sender auch während
des Empfangsbetriebs wünschenswert,
um Sender-Rauschen vom Empfänger
fernzuhalten.
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Es sind verschiedene Sende/Empfangs-Schaltkreise
bekannt. Die Umschaltung und Entkopplung kann ein Schaltkreis entweder
aktiv, d.h. gesteuert durch ein Schaltsignal, oder auch passiv, d.h.
automatisch, vornehmen. In einem aktiven Sende/ Empfangs-Schaltkreis
sind normalerweise mehrere aktive Bauteile wie Transistoren enthalten,
die ihre Eigenschaften in Abhängigkeit
des Schaltsignals, das an einem Steuereingang anliegt, variiert.
Ein aktiver Sende/Empfangs-Schaltkreis benötigt jedoch stets eine gesonderte
Steuerleitung für
jedes einzelne Element des Ultraschall-Wandlers, über die
das Schaltsignal übertragen
wird. Außerdem
wird ein zusätzlicher
Steuerschaltkreis benötigt,
der die Umschaltung und Entkopplung auf die Sende- und Empfangssignale
synchronisiert. Falls die Synchronisation ausfällt, besteht die Gefahr der
Zerstörung
empfindlicher Baugruppen im Empfänger.
Passive Realisierungen eines Sende-/Empfangs-Schaltkreises sind üblicherweise
entweder in ihrem Dynamikbereich begrenzt oder sie beinhalten aufwendige
Bauelemente, wie beispielsweise Transformatoren mit mehreren Wicklungen
und Abgriffen.
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Mit der
DE 195 14 330 A1 wird ein
Sende/Empfangs-Schaltkreis für
ein Ultraschallabbildungssystem offenbart, bei dem ein Wandler wahlweise
in einem Sendebetrieb mit einem Sender und in einem Empfangsbetrieb
mit einem Empfänger elektrisch
verbunden ist. Dazu enthält
der Sende/Empfangs-Schaltkreis mindestens eine Kapazitätsdiode,
die in Sperrichtung für
das Sendesignal des Senders zwischen dem Wandler und dem Empfänger geschaltet
ist. Anstelle einer einzigen Kapazitätsdiode kann auch eine antiserielle
Schaltung zweier Kapazitätsdioden
vorgesehen sein. Bei Verwendung einer Kapazitätsdiode kann jedoch insbesondere
bei einem steilen Anstieg des Sendesignals ein hoher Stromimpuls
in den Empfänger
eingekoppelt werden. Dieser kann dann zu einer Beschädigung des Empfängers führen.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung,
einen Schaltkreis sowie ein Verfahren der eingangs bezeichneten
Art anzugeben, die sich im Vergleich zu den beschriebenen bekannten
Realisierungen mit einfacheren Mitteln aufbauen lassen. Dabei sollen insbesondere
keine aufwendigen Komponenten wie gesonderte Steuerleitungen oder
auch Transformatoren zum Einsatz kommen.
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Außerdem soll der Empfänger sicher
vor dem leistungsstarken Sendesignal geschützt werden.
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Zur Lösung der den Schaltkreis betreffenden Aufgabe
wird ein Schaltkreis entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Schaltkreis
mit einem Sender zum Senden eines Sendesignals zu einem Wandler
und mit einem Empfänger
zum Empfangen eines Empfangssignals von dem Wandler handelt es sich
um einen Schaltkreis, bei welchem
- – der Sender über einen
ersten nichtlinearen Zweipol und der Empfänger über einen zweiten nichtlinearen
Zweipol mit dem Wandler verbunden sind,
- – ein
dritter nichtlinearer Zweipol parallel zu einem Eingang des Empfängers geschaltet
ist, wobei
- – der
erste und der dritte nichtlineare Zweipol als Zweipole mit bipolarer
Spannungsbegrenzung ausgebildet sind und
- – der
zweite nichtlineare Zweipol als Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung
ausgebildet ist.
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Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Aufgabe
wird außerdem
ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14
angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Senden eines Sendesignals zu einem Wandler und zum Empfangen
eines Empfangssignals von dem Wandler handelt es sich um ein Verfahren,
bei welchem
- – das Sendesignal eines Senders über einen
ersten nichtlinearen Zweipol zu dem Wandler gekoppelt und durch
einen zweiten und einen dritten nichtlinearen Zweipol von einem
Empfänger
entkoppelt wird, und
- – das
Empfangssignal des Wandlers über
den zweiten und den dritten nichtlinearen Zweipol zu dem Empfänger gekoppelt
wird und durch den ersten nicht-linearen Zweipol von dem Sender entkoppelt
wird, wobei
- – eine
an dem ersten nichtlinearen Zweipol anstehende Spannung und eine
an dem dritten nichtlinearen Zweipol anstehende Spannung bipolar
begrenzt werden und
- – ein
durch den zweiten nichtlinearen Zweipol fließender Strom bipolar begrenzt
wird.
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Die Erfindung beruht dabei auf der
Erkenntnis, daß sich
ein Sende/Empfangs-Schaltkreis auf einfache Weise durch eine Zusammenschaltung
dreier nichtlinearer Zweipole und des Wandlers realisieren läßt. Unter
der Parallelschaltung des dritten nichtlinearen Zweipols zum Eingang
des Empfängers
ist hierbei zu verstehen, daß der
dritte nichtlineare Zweipol parallel zu einem Eingangswiderstand
des Empfängers
geschaltet ist. Der erste und der dritte nichtlineare Zweipol stellen
dann für
große
Signalamplituden quasi einen Kurzschluß und für kleine Signalamplituden quasi
einen Leerlauf dar. Der zweite nichtlineare Zweipol stellt dagegen
für kleine
Signalamplituden quasi einen Kurzschluß und für große Signalamplituden quasi einen
Leerlauf dar. Ein Leerlauf bedeutet in diesem Zusammenhang einen
sehr hochohmigen Zustand.
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Durch das beschriebene nichtlineare
Verhalten der drei Zweipole wird nun erreicht, daß der Sender
und der Empfänger
abwechselnd mit dem Wandler gekoppelt und jeweils voneinander entkoppelt sind.
Während
des Sendebetriebs ist nur der Wandler mit dem Sender gekoppelt,
wohingegen der Empfänger
vom Sender entkoppelt ist. Dadurch wird vermieden, daß die empfindliche
Eingangselektronik zur Verstärkung
von kleinen Signalamplituden im Empfänger durch die hohen Signalamplituden
des Sendesignals zerstört
wird. Andererseits wird auch eine unerwünschte, das Sendesignal unter
Umständen
verzerrende Rückwirkung
des Empfängers
auf den Sender durch die Entkopplung vermieden. Während des Empfangsbetriebes
bewirken die drei nichtlinearen Zweipole dagegen, daß der Wandler
nur mit dem Empfänger
gekoppelt ist und vom Sender entkoppelt ist. Das Empfangssignal
mit ohnehin sehr niedriger Signalamplitude wird dadurch nur an den
bestimmungsgemäßen Zielort, den
Empfänger,
geleitet. Es geht praktisch kein Anteil der niedrigen empfangenen Leistung
in dem Zweig des Schaltkreises verloren, der zum Sender führt. Dies
verbessert den Wirkungsgrad des Schaltkreises.
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Der erste und der dritte nichtlineare
Zweipol bewirken jeweils eine Spannungsbegrenzung. Bevorzugt ist
außerdem
auch eine Ausführungsform,
in der der zweite nichtlineare Zweipol eine Strombegrenzung bewirkt.
In beiden Ausführungsformen
ist die Spannungs- bzw. Strombegrenzung jeweils bipolar ausgebildet.
Darunter ist zu verstehen, daß der erste
und der dritte nichtlineare Zweipol die Spannung bei positiven Stromwerten
auf eine positive Begrenzungsspannung und bei negativen Stromwerten auf
eine negative Begrenzungsspannung, die bis auf das Vorzeichen im
wesentlichen der positiven Begrenzungsspannung entspricht, begrenzen.
Umgekehrt bewirkt der zweite nichtlineare Zweipol bei einer Spannung
größer Null
eine Begrenzung auf einen positiven Begrenzungsstrom und bei einer
Spannung kleiner Null eine Begrenzung auf einen negativen Begrenzungsstrom.
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Ein Übergangsbereich zwischen positiver und
negativer Begrenzungsspannung bzw. positivem und negativem Begrenzungsstrom
ist dabei jeweils möglichst
steil ausgebildet, um Verluste beim Wechsel zwischen positiver und
negativer Signalamplitude möglichst
gering zu halten.
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Die Spannungs- bzw. Strombegrenzung
der drei nichtlinearen Zweipole ist so ausgebildet, daß die Signalamplitude
des Sendesignals jenseits der Begrenzungsspannung bzw. des Begrenzungsstroms
und die Signalamplitude des Empfangssignals innerhalb eines Intervalls
liegen, das durch die positive und negative Begrenzungsspannung
bzw. den positiven und negativen Begrenzungsstrom gebildet wird.
Sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetrieb ergibt sich damit die
vorstehend beschriebene automatische Entkopplung von Sender und
Empfänger.
Der Wandler ist außerdem
ebenfalls automatisch jeweils mit dem rich tigen Schaltungsteil,
d.h. dem Sender oder dem Empfänger,
gekoppelt. Eine aktive Umschaltung mittels eines Steuersignals wird dafür nicht
benötigt.
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Unter einem Wandler wird in diesem
Zusammenhang jedes Bauteil verstanden, das über ein Signal mit hohem Signalpegel
angesteuert wird und darauf indirekt mit einem Antwortsignal mit
vergleichsweise kleiner Signalamplitude reagiert. Das Antwortsignal
wird dabei durch diese Ansteuerung bewirkt. Der Unterschied zwischen
dem Signalpegel des Ansteuerungssignals (=Sendesignal) und dem Antwortsignal
(=Empfangssignal) beträgt
hierbei wengistens zwei Größenordnungen.
Ein elektroakustischer Wandler, eine Sende/Empfangs-Antenne für elektromagnetische
Strahlung und auch ein Resonator sind Beispiele für Bauteile,
die in die oben beschriebene Kategorie fallen.
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Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des Schaltkreises und des Verfahrens nach der Erfindung ergeben
sich aus den jeweils abhängigen
Unteransprüchen.
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Bevorzugt ist insbesondere eine Ausführungsform,
bei der der Wandler als Ultraschall-Wandler ausgeführt ist.
Ein solcher Ultraschall-Wandler emittiert akustische Wellen in ein
Untersuchungsgebiet, und empfängt
aus diesem reflektierte Signale, aus denen dann Rückschlüsse über die
Beschaffenheit des Untersuchungsgebietes gezogen werden können. Ein
Ultraschall-Wandler
wird mit Sendesignalen hoher Signalamplitude angesteuert und liefert Empfangssignale
mit niedriger Signalamplitude, so daß eine entsprechende Entkopplung
von Schaltungsteilen, die für
den jeweiligen Betriebsfall bestimmt sind, vorteilhaft ist. Der
Ultraschall-Wandler kann dabei sowohl aus einem einzigen schallemittierenden
Element oder auch aus mehreren solcher Einzelelemente aufgebaut
sein. Dabei kann dann insbesondere für jedes Einzelelement ein gesonderter
Sende/Empfangs-Schaltkreis zur Zuführung des jeweiligen Sendesignals
und zur Abführung
des jeweiligen Empfangssignals vorgesehen sein.
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Vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform, in
der der Wandler, insbesondere der Ultraschall-Wandler, einen Kontakt
aufweist, der an eine Systemmasse angeschlossen ist. Durch diese
Variante läßt sich
die Anzahl der benötigten
Anschlußkontakte
und -leitungen reduzieren. Bevorzugt kann dann nämlich bei einem Ultraschall-Wandler
mit mehreren Einzelelementen einer der beiden Kontakte jedes Einzelelementes
an einen gemeinsamen Masseanschluß gelegt werden. Dieser ist
dann insbesondere als eine sich über
alle Einzelelemente erstreckende Kontaktschicht ausgebildet. Dadurch
vereinfacht sich der Aufbau des Ultraschall-Wandlers. Im Unterschied
dazu sind bei einem schwimmenden, d.. h. erdfreien Anschluß des Ultraschall-Wandlers innerhalb
des Schaltkreises für
jedes Wandlerelement zwei separate Anschlußkontakte und Leitungen vorgesehen.
Damit resultiert eine praktisch doppelt so große Anzahl von Anschlußkontakten
und -leitungen wie bei der Variante mit einseitiger Erdung.
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In einer besonders vorteilhaften
Variante sind die drei nichtlinearen Zweipole rein passiv ausgebildet.
Darunter ist zu verstehen, daß die
drei nichtlinearen Zweipole keinerlei Verbindung zu einer Versorgungsspannung
und insbesondere auch nicht zur Systemmasse aufweisen. Eine derartige
Verbindung führt
andernfalls zu einer Masseschleife, die einen unerwünschten
Kreisstrom zur Folge haben könnte. Dies
würde aber
das Gesamtverhalten des Sende/Empfangs-Schaltkreises verschlechtern.
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Vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform, in
der ein vierter nichtlinearer Zweipol an einem Ausgang des Senders
vorgesehen ist. Dieser vierte nichtlineare Zweipol ist parallel
zu dem Ausgang geschaltet, d.h. parallel zu einem Ausgangswiderstand des
Senders. Diese Ausführungsform
bietet insbesondere dann Vorteile, wenn auch der vierte nichtlineare
Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung ausgeführt wird. Innerhalb des Senders
kann nämlich
am Ausgang ein Transformator hohen Signalpegel transformiert. Der
vierte nichtlineare Zweipol leitet dann einen Strom, der nach Aussenden
des Sendesignals noch in einer Sekundärwicklung des Transformators gespeichert
ist, ab. Dadurch wird die Abklingzeit des Sendesignals erheblich
reduziert. Es gibt jedoch auch andere Ausführungsformen des Senders, bei denen
am Ausgang kein Transformator vorgesehen wird. Hier kann dann auch
der vierte nichtlineare Zweipol am Ausgang des Senders entfallen.
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Zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
des Schaltkreises existieren jeweils korrespondierende Ausgestaltungen
des Verfahrens. Dementsprechend weisen die Ausgestaltungen des Verfahrens
auch die gleichen Vorteile wie die jeweils korrespondierenden Ausführungsformen
des Schaltkreises auf.
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Eine weitere Ausführungsform des Schaltkreises
bezieht sich auf die Ausbildung des zweiten und des vierten nichtlinearen
Zweipols jeweils als bipolarer Strombegrenzer. In dieser Ausbildung
umfaßt der
Zweipol mit bipolarer Strombegrenzung zwei selbstleitende MOSFETs
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), wobei von jedem
MOSFET ein Gate-Kontakt über
einen Widerstand auf einen Source-Kontakt zurückgekoppelt ist. Durch diese Rückkopplung
wirkt jeder der beiden MOSFETs als unipolarer Strombegrenzer. Man
könnte
die so rückgekoppelten
MOSFETs auch als unipolare Stromquellen bezeichnen. Durch eine Reihenschaltung
der beiden rückgekoppelten
MOSFETs mit zueinander entgegengesetzter Polarität ergibt sich dann, ein nichtlinearer
Zweipol, bei dem der eine rückgekoppelte
MOSFET für
eine erste Spannungspolarität eine
Strombegrenzung auf einen positiven Begrenzumgsstrom durchführt und
der andere rückgekoppelte
MOSFET für
die entgegengesetzte Spannungspolarität eine Strombegrenzung auf
einen negativen Begrenzumgsstrom durchführt. Insgesamt liegt dann die
gewünschte
bipolare Strombegrenzung vor. Der Begrenzungsstrom wird über den
Widerstand eingestellt.
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Die beschriebene Reihenschaltung
der beiden MOSFETs ist unter anderem auch deshalb in der Lage, den
Strom bipolar zu begrenzen, weil der jeweils gerade nicht als Strombegrenzer
betriebene MOSFET den Begrenzungsstrom des anderen Transistors über eine
Rückwärtsdiode
führt.
Diese Rückwärtsdiode
ist ein inhärenter
Bestandteil der selbstleitenden MOSFETs.
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Für
die hohen Signalpegel des Sendesignals kommt die strombegrenzende
Wirkung der beiden MOSFETs zum Tragen. Die niedrigen Signalpegel des
Empfangssignals steuern die beiden MOSFETs jedoch jeweils nur innerhalb
eines kleinen Bereichs um den Nullpunkt im Ausgangskennlinienfeld
aus. In diesem kleinen Aussteuerbereich wirkt ein selbstleitender
MOSFET sowohl für
positive als auch negative Signalamplituden prak tisch als linearer
Widerstand. Damit erklärt
sich die entkoppelnde Wirkung der Zusammenschaltung.
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Obwohl die beschriebene Ausbildung
des zweiten bzw. vierten nichtlinearen Zweipols mit den beiden selbstleitenden
MOSFETs an und für
sich aktive Bauelemente beinhaltet, handelt es sich dennoch um einen
passiven Zweipol. Beide MOSFETs werden nämlich passiv betrieben. Es
wird an keiner Stelle über
eine Zuleitung eine Betriebs- oder Versorgungsspannung, beispielsweise
für eine
Arbeitspunkteinstellung, zugeführt.
Außerdem
beinhaltet der nichtlineare Zweipol auch keine Verbindung zur Systemmasse.
Diese Ausbildung des zweiten nichtlinearen Zweipols ist somit sowohl
passiv als auch erdfrei (schwimmend).
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Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung,
bei der nur ein einziger Rückkopplungs-Widerstand
für beide selbstleitende
MOSFETs vorgesehen ist. Dieser befindet sich sowohl im Rückkopplungszweig
des ersten als auch des zweiten MOSFETs. Über ihn werden der positive
und auch der negative Begrenzungsstrom eingestellt. Da der Rückkopplungs-Widerstand auch
die Steilheit der Kennlinie des nichtlinearen Zweipols in dem Übergangsbereich
zwischen positivem und negativem Begrenzungsstrom maßgeblich mit
beeinflußt,
ist es vorteilhaft, anstelle von jeweils einem Widerstand für den positiven
und den negativen Begrenzungsstrom nur einen einzigen für beide Polaritäten zu verwenden.
Damit erhöht
sich die Steilheit der Kennlinie in dem Übergangsbereich, womit gleichzeitig
eine Reduzierung von Verlusten einhergeht.
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Je nachdem, in welchem Frequenzbereich der
nichtlineare Zweipol zur Strombegrenzung betrieben werden soll,
kann der Rückkopplungs-Widerstand
bevorzugt als ohmscher Widerstand, als Induktivität, als Kapazität oder als
beliebig komplexer Widerstand ausgeführt sein. Für breitbandige Anwendungen
ist dabei eine rein ohmsche Ausbildung besser geeignet, wohingegen
für Schmalbandanwendungen
eine reaktive bzw. komplexe Ausbildung des Widerstands bevorzugt
ist.
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In einer weiteren Ausführungsvariante
beinhaltet der nichtlineare Zweipol zur Strombegrenzung außer den
beiden selbstleitenden MOSFETs kein weiteres Bauteil, insbesondere
auch keinen gesonderten Widerstand. Die beiden selbstleitenden MOSFETs
sind in dieser Ausführungsvariante
jeweils über einen
Drain-Source-Widerstand des jeweils anderen MOSFETs zurückgekoppelt.
Diese Ausführungsvariante
kommt somit mit einem minimalen Einsatz an Bauteilen aus.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nunmehr
anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und
gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen
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1 einen
Sende/Empfangs-Schaltkreis mit drei nichtlinearen Zweipolen und
einem Wandler,
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2 eine
idealisierte Kennlinie des ersten und dritten nichtlinearen Zweipols,
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3 eine
idealisierte Kennlinie des zweiten nichtlinearen Zweipols,
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4 ein
Ersatzschaltbild des Sende/Empfangs-Schaltkreises gemäß 1 während des Sendebetriebs,
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5 ein
Ersatzschaltbild des Sende/Empfangs-Schaltkreises gemäß 1 während des Empfangsbetriebs,
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6 eine
Ausführungsform
des zweiten nichtlinearen Zweipols,
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7 eine
weitere Ausführungsform
des zweiten nichtlinearen Zweipols,
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8 eine
Ausführungsform
des ersten bzw. dritten nichtlinearen Zweipols und
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9 einen
weiteren Sende/Empfangs-Schaltkreis mit vier nichtlinearen Zweipolen.
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Einander entsprechende Teile sind
in den 1 bis 9 mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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In 1 ist
ein Schaltkreis zum Senden eines Sendesignals 40 zu einem
Wandler 30 und zum Empfangen eines Empfangssignals 50 von
dem Wandler 30 dargestellt. Das Sendesignal 40 wird dazu
von einem Sender 10 über
einen ersten nichtlinearen Zweipol Z1 dem Wandler 30 zugeführt, der einseitig
geerdet ist. Der Wandler 30 ist ein piezoelektrischer Ultraschall-Wandler, der infolge
des elektrischen Sendesignals 40 zu akustischen Schwingungen
und somit zur Emission von Schallwellen in ein nicht dargestelltes
Untersuchungsgebiet angeregt wird. Die emittierten Schallwellen
werden in dem nicht dargestellten Untersuchungsgebiet reflektiert und
von dem Wandler 30 in ein elektrisches Empfangssignal 50 zurückverwandelt.
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Der Wandler 30 kann als
einelementiger Ultraschall-Wandler oder auch als mehrelementiges
Ultraschall-Wandler-Array ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall
kann für
jedes Wandlerelement ein eigener Schaltkreis entsprechend der Darstellung
von 1 vorgesehen sein.
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Das empfangene Signal 50 wird über einen zweiten
nichtlinearen Zweipol Z2 zu einem Empfänger 20 übertragen.
Da das Empfangssignal 50 nur einen sehr niedrigen Signalpegel
aufweist, enthält
der Empfänger 20 einen
nicht dargestellten empfindlichen Eingangsverstärker, der den Signalpegel entsprechend
anhebt. Danach schließt
sich in dem Empfänger 20 eine
ebenfalls nicht dargestellte weitere Signalverarbeitung und gegebenenfalls
eine Einheit zur bildlichen Darstellung des Empfangssignals 50 an.
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Die Signalpegel des Sendesignals 40 und des
Empfangssignals 50 unterscheiden sich erheblich. Während das
Sendesignal 40 als bipolarer Sendepuls mit Spannungsspitzenwerten
von einigen 100 V, hier von ± 200
V, vorliegt, nimmt der absolute Signalpegel des Empfangssignals 50 einen
maximalen Wert von einigen Volt beispielsweise nur einigen Millivolt
an. Ent sprechend sind auch die Leistungsunterschiede des Sende-
und Empfangssignals 40 bzw. 50.
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Der in 1 dargestellte
Schaltkreis sorgt deshalb auch dafür, daß das leistungsstarke Sendesignal 50 nicht
in den Empfänger 20 gelangt,
wo es andernfalls den empfindlichen Eingangsverstärker beschädigen würde. Andererseits
wird der Sender 10 vom Wandler 30 entkoppelt,
wenn ein Empfangssignal 50 von dem Wandler 30 geliefert
wird. Zum sicheren Schutz vor dem leistungsstarken Sendesignal 40 ist
an einem Eingang 21 des Empfängers 20 ein dritter
nichtlinearer Zweipol Z3 parallel geschaltet. Er bewirkt für hohe Signalpegel
quasi einen Kurzschluß des
Eingangs 21.
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Der erste und der dritte nichtlineare
Zweipol Z1 bzw. Z3 sind jeweils als bipolarer Spannungsbegrenzer,
der nichtlineare Zweipol Z2 dagegen als bipolarer Strombegrenzer
ausgeführt.
Zur Verdeutlichung zeigen die 2 und 3 idealisierte Kennlinien der
bipolaren spannungsbegrenzenden Zweipole Z1 und Z3 bzw. des bipolar
strombegrenzenden Zweipols Z2. Gemäß 2 wird eine an den nichtlinearen Zweipolen
Z1 und Z3 anstehende Spannung U auf eine Begrenzungsspannung U0
beschränkt.
An dem nichtlinearen Zweipol Z1 bzw. Z3 fällt bei einem positiven Strom
I die positive Begrenzungsspannung U0 und bei einem negativen Strom
I die negative Begrenzungsspannung -U0 ab. Umgekehrt bewirkt der zweite
nichtlineare Zweipol Z2 gemäß der in 3 dargestellten Kennlinie
eine bipolare Begrenzung eines Stroms I auf einen Begrenzungsstrom
I0. Bei einer positiven Spannung U fließt ein positiver Begrenzungsstrom
I0 und bei einer negativen Spannung U fließt ein negativer Begrenzungsstrom
-I0.
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Ein Übergang zwischen positiver
und negativer Begrenzungsspannung +U0 bzw. -U0 sowie zwischen positivem
und negativem Begrenzungsstrom +I0 bzw. -I0 ist bei dem in den 2 und 3 dargestellten idealisierten Kennlinien
abrupt. Die abrupten Übergänge entsprechen
hierbei einem verschwindenden Übergangsleitwert
bzw. Übergangswiderstand.
Diese verschwindenden Werte sind in der Praxis selbstverständlich nicht
zu erzielen. Bei der praktischen Realisierung wird jedoch ein Übergangsbereich
angestrebt, der dem Verlauf der idealisierten Kennlinie möglichst
nahekommt.
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Unter Berücksichtigung des strom- bzw. spannungsbegrenzenden
Verhaltens der drei nichtlinearen Zweipole Z1 bis Z3 lassen sich
nun Ersatzschaltbilder für
den Schaltkreis gemäß 1 für den jeweiligen Betriebsfall
angeben. In 4 ist der
Sendebetrieb dargestellt, wohingegen in 5 der Empfangsbetrieb gezeigt ist. Während des
Sendebetriebs generiert der Sender 10 an einem Ausgang
das Sendesignal 40. Der Signalpegel des Sendesignals 40 ist dabei
deutlich höher
als die Begrenzungsspannung U0 des ersten und des dritten nichtlinearen
Zweipols Z1 bzw. Z3. Diese Begrenzungsspannung U0 liegt je nach
verwendeten Bauteilen und letztendlich wirksamen Signalpegeln des
Sendesignals 40 zwischen etwa 0,7 und etwa 1 V. Der erste
und der dritte nichtlineare Zweipol Z1 bzw. Z3 stellen somit für das hochpegelige
Sendesignal 40 quasi einen Kurzschluß dar. Der zweite nichtlineare
Zweipol Z2 hingegen bewirkt eine Begrenzung des über ihn fließenden Stromes auf
den Begrenzungsstrom I0, der im Anschluß über den dritten nichtlinearen
Zweipol Z3 nach Masse abgeleitet wird. Der Eingang 21 des
Empfängers 20 ist somit
vom Sender 10 entkoppelt.
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Für
Stromamplituden, die größer als
der Begrenzungsstrom I0 sind, stellt der zweite nichtlineare Zweipol
Z2 einen Leerlauf dar, so daß der
größte Anteil
des Sendesignals 40 in den Wandler 30 geleitet und
dort in akustische Strahlung umgewandelt wird. Offensichtlich wirkt
sich ein möglichst
niedriger Begrenzungsstrom I0 positiv auf die Verluste aus. Denn je
niedriger der Begrenzungsstrom I0 eingestellt wird, desto niedriger
ist der Anteil des Sendesignals 40, der an dem Wandler 30 vorbeigeleitet
wird. Durch die beschriebene Entkopplung kann auch der Empfänger 20 keinen
verzerrenden Einfluß auf
das Sendesignal 40 ausüben.
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Während
des in 5 dargestellten
Empfangsbetriebs, bei dem der Wandler 30 ein elektrisches
Empfangssignal 50 mit sehr niedrigem Signalpegel, insbesondere
unter der Begrenzungsspannung U0 und unter dem Begrenzungsstrom
I0, generiert, stellen der erste und der dritte nichtlineare Zweipol
Z1 bzw. Z3 praktisch einen Leerlauf dar. Während des Empfangsbetriebs
sind die Signalamplituden, insbesondere die Spannungsamplituden,
so klein, daß der
zweite nichtlineare Zweipol Z2 gerade in dem Übergangsbereich der in 3 dargestellten Kennlinie
betrieben wird. Im Idealfall stellt dieser Übergangsbereich einen Kurzschluß dar, in
der Realität wird
hierbei zumindest ein sehr niedriger Übergangs- bzw. Durchlaßwiderstand
angestrebt. Je steiler die Kennlinie an dieser Stelle ausgebildet
ist, desto niedriger fallen wiederum die Verluste aus.
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In 6 ist
eine mögliche
Realisierung des zweiten nichtlinearen Zweipols Z2 dargestellt.
Er besteht im wesentlichen aus einem ersten selbstleitenden MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) T1 mit einem
ersten Gate-Kontakt G1,
einem ersten Source-Kontakt S1 und einem ersten Drain-Kontakt D1
sowie einem zweiten selbstleitenden MOSFET T2 mit einem zweiten
Gate-Kontakt G2, einem zweiten Source-Kontakt S2 und einem zweiten Drain-Kontakt
D2. Die beiden MOSFETs T1 und T2 sind jeweils vom gleichen Leitungstyp,
im vorliegenden Fall vom n-Typ. Die strombegrenzende Wirkung des
zweiten nichtlinearen Zweipols Z2 wird dadurch erreicht, daß sowohl
der erste Gate-Kontakt G1 über
einen Rückkopplungs-Widerstand ZF auf den
ersten Source-Kontakt S1 als auch der zweite Gate-Kontakt G2 über den
gleichen Rückkopplungs-Widerstand
ZF auf den zweiten Source-Kontakt S2 zurückgeführt werden. Dabei bewirkt der
erste MOSFET T1 eine Strombegrenzung bei positiven Spannungswerten
und der zweite MOSFET T2 eine Strombegrenzung bei negativen Spannungswerten.
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Der erste und der zweite MOSFET T1
bzw. T2 sind über
den Rückkopplungs-Widerstand
ZF in Reihe geschaltet. Dazu ist der erste Source-Kontakt S1 des
ersten MOSFETs T1 und der zweite Source-Kontakt S2 des zweiten MOSFETs
T2 jeweils mit einem der beiden Anschlüsse des Rückkopplungs-Widerstands ZF
verbunden. Die beiden MOSFETs T1 und T2 sind somit mit zueinander
entgegengesetzter Polarität
innerhalb der Reihenschaltung des zweiten nichtlinearen Zweipols
Z2 angeordnet.
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Verglichen mit einer anderen Schaltungsvariante,
bei der jedem der beiden MOSFETs T1 bzw. T2 ein eigener Rückkopplungs-Widerstand
ZF zugeordnet ist, weist die in 6 dargestellte
Variante einen niedrigeren Übergangs-
bzw. Durchlaßwiderstand auf.
Gemäß den obigen
Ausführungen
ist dies für
den hier vorliegenden Anwendungsfall besonders vorteilhaft.
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Der positive sowie der negative Begrenzungsstrom
+I0 bzw. -I0 werden jeweils durch den gleichen Rückkopplungs-Widerstand ZF eingestellt. Für den ersten
und den zweiten MOSFET T1 bzw. T2 kommt im gezeigten Beispiel jeweils
ein Transistor des Typs BSP 149 der Firma Siemens zum Einsatz. Alternativ
könnte
jedoch auch beispielsweise der Siemens-Transistor BSS 149 verwendet
werden. Der Rückkopplungs-Widerstand
ZF ist rein ohmsch und hat einen Wert von 5,1 Ω, Dadurch wird ein absoluter Begrenzungsstrom
|I0| von ungefähr
100 mA eingestellt.
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Der Übergangs- bzw. Durchlaßwiderstand des
dargestellten zweiten nichtlinearen Zweipols Z2 ergibt sich als
Reihenschaltung eines ersten Drain-Source-Widerstands, des Rückkopplungs-Widerstands
ZF und eines zweiten Drain-Source-Widerstands, wobei erster und zweiter
Drain-Source-Widerstand jeweils einen Innenwiderstand des ersten
bzw. zweiten MOSFETs T1 bzw. T2 darstellen. Für kleine Signalpegel, die innerhalb
des Übergangsbereichs
liegen, werden die beiden MOSFETs T1 und T2 jeweils in einem praktisch
symmetrischen Aussteuerungsbereich um den Nullpunkt des Ausgangskennlinienfelds
der beiden MOSFETs T1 und T2 betrieben. Für kleine Signalpegel haben
die Kennlinien des Ausgangskennlinienfelds der beiden MOSFETs T1
und T2 jeweils eine lineare Steigung, welche dem bereits angesprochenen
Drain-Source-Widerstand entspricht. Im vorliegenden Fall ergibt
sich dann ein gesamter Übergangswiderstand
von etwa 10 Ω.
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Für
große
Signalpegel jenseits des Übergangsbereichs,
wie sie beispielsweise bei dem Sendesignal 40 vorliegen,
verhalten sich die beiden MOSFETs T1 und T2 nicht mehr symmetrisch.
Je nach Signalpolarität
wirkt stets einer als Strombegrenzer, und der jeweils andere aufgrund
der Rückwärtsdiode,
die integraler Bestandteil des jeweiligen selbstleitenden MOSFETs
T1 bzw. T2 ist, als Diode im Durchlaßbereich. Bei einem positivem
Spannungswert des Sendesignals 40 wirkt der erste MOSFET
T1 als Strombegrenzer, während
der zweite MOSFET T2 über
seine Rückwärtsdiode
betrieben wird und den Begrenzungsstrom I0 ungehindert passieren
läßt. Für einen
negativen Spannungswert des Sendesignals 40 kehren sich
die Verhältnisse
genau um.
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Die maximale Spannung, mit der der
nichtlineare Zweipol Z2 belastet werden kann, richtet sich nach
der maximalen Spannung, die zwischen dem jeweiligen Drain-Kontakt
D1 oder D2 und dem jeweiligen Source-Kontakt 51 oder S2
der beiden MOSFETs T1 bzw. T2 bauartbedingt angelegt werden darf.
Bei dem gewählten
Transistortyp beträgt
diese Spannung etwa 200 V.
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In 7 ist
eine alternative Ausführungsform für den zweiten
nichtlinearen Zweipol Z2 dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform
von 6 beinhaltet die
Variante von 7 keinen
gesonderten Rückkopplungs-Widerstand
ZF. Der erste Gate-Kontakt G1 wird hier vielmehr über einen Drain-Source-Widerstand
des zweiten MOSFETs T2 auf den ersten Source-Kontakt S1 zurückgekoppelt, und
der zweite Gate-Kontakt G2 wird über
einen Drain-Source-Widerstand des ersten MOSFETs T1 auf den zweiten
Source-Kontakt 52 zurückgekoppelt.
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Durch den Wegfall des Rückkopplungs-Widerstands
ZF wird einerseits die Steigung der Kennlinie gemäß 3 im Übergangsbereich erhöht, d.h. der Übergangs-
bzw. Durchlaßwiderstand
erniedrigt, andererseits kann der zweite nichtlineare Zweipol Z2 gemäß 7 jedoch nur mit einer maximalen
Spannung von etwa 20 V betrieben werden.
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Die Ursache für die niedrigere Betriebsspannung
liegt hierbei in der maximal zulässigen Gate-Source-Spannung
der verwendeten MOSFETs T1 und T2, die gerade bei dem genannten
Spannungswert liegt. Die am zweiten nichtlinearen Zweipol Z2 anliegende
Spannung fällt
praktisch vollständig
bei einem der beiden Transistoren T1 oder T2 zwischen dem Gate-Kontakt
G1 bzw. G2 und dem Source-Kontakt S1 bzw. S2 ab. Diese zwischen
Gate und Source abfallende Spannung wird dabei lediglich um den
Spannungsabfall an der Rückwärtsdiode
des jeweils anderen MOSFETs T1 bzw. T2 reduziert. Bauartbedingt
ist eine maximale Spannung von etwa 20 V zwischen Gate und Source
zulässig.
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In 8 ist
eine Realisierung des ersten bzw. dritten nichtlinearen Zweipols
mit einer Kennlinie gemäß 2 dargestellt. Es handelt
sich um eine Antiparallelschaltung von zwei baugleichen Dioden DD1
und DD2. Vorliegend wurden hierfür
die Siemens-Dioden mit der Bezeichnung BAV 99 eingesetzt.
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Neben dem in 1 gezeigten Schaltkreis mit insgesamt
drei nichtlinearen Zweipolen Z1 bis Z3 ist auch eine Ausführungsvariante
mit insgesamt vier nichtlinearen Zweipolen möglich. Die in 9 gezeigte Variante des Sende/Empfangs-Schaltkreises enthält einen
vierten nichtlinearen Zweipol Z4, der parallel zu einem Ausgang 11 des
Senders 10 parallelgeschaltet ist.
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Der vierte nichtlineare Zweipol besitzt
analog zu dem zweiten nichtlinearen Zweipol Z2 ein bipolar strombegrenzendes
Verhalten. Er ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Sender
10 eine
induktive Ausgangsimpedanz besitzt. Dies ergibt sich, wenn der endgültige Signalpegel
des Sendesignals 40 mittels eines nicht dargestellten Transformators
eingestellt wird. Der Transformator befindet sich zu diesem Zweck
unmittelbar am Ausgang 11 des Senders 10. Bei
dieser Ausführungsform
kann es nun vorkommen, daß ein
Stromfluß in
einer Sekundärwicklung des
Transformators noch nicht abgeklungen ist, obwohl das Sendesignal 40 bereits über den
ersten nichtlinearen Zweipol Z1 übertragen
worden ist, und dieser schon wieder seinen hochohmigen Zustand angenommen
hat. Die in dem Transformator noch gespeicherte Energie kann dann
nur noch in begrenztem Umfang abfließen, wodurch eine verhältnismäßig lange
Abklingdauer des Sendesignals 40 resultiert. Die Parallelschaltung
des vierten nichtlinearen Zweipols Z4 am Ausgang 11 des
Senders 10 eröffnet
einen zusätzlichen
Pfad für
die im Transformator gespeicherte Energie und trägt somit zu einer Reduzierung
der Abklingzeit des Sendesignals 40 bei.