DE19913338A1 - Ein- oder Mehrweg-HF-Diodengleichrichterschaltung - Google Patents
Ein- oder Mehrweg-HF-DiodengleichrichterschaltungInfo
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Abstract
Bei einer Ein- oder Mehrweg-HF-Diodengleichrichterschaltung mit mindestens einer Gleichrichterdiode und mindestens einem ausgangsseitigen Ladekondensator ist der Ausgang mit einem etwa den gleichen relativen Temperaturkoeffizienten wie der Nullpunktwiderstand der Gleichrichterdiode aufweisenden und derart nichtlinearen Lastwiderstand belastet, daß eine Liniearisierung des Verhältnisses von Ausgangsspannung zu Eingangsspannung über den quadratischen Bereich hinaus bewirkt wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ein-, Zwei- oder Mehrweg-HF-Diodengleichrichterschaltung
mit mindestens einer Gleichrichterdiode und mindestens einem ausgangsseitigen Ladekon
densator.
Diodengleichrichterschaltungen dieser Art auf der Basis von Sperrschicht- oder Schottky-
Dioden sind in den verschiedenartigsten Ausführungsformen bekannt. Fig. 1 zeigt das all
diesen Schaltungen gemeinsame Prinzipschaltbild mit einer Diode V und einem Ladekon
densator Cr. Sie lassen sich mit sehr kleinen Zeitkonstanten herstellen und werden wegen
der dadurch möglichen höheren Meßgeschwindigkeit häufig anstelle von thermischen Sen
soren für die Leistungsmessung benutzt. Auch für die Effektivwertmessung werden solche
Gleichrichterschaltungen eingesetzt. Erforderlich für die Leistungsmessung und die Effek
tivwertmessung ist ein eindeutiger, von der Art des Signals unabhängiger Zusammenhang
zwischen dem Mittelwert der Ausgangsspannung und dem Effektivwert Uin der Eingangs
spannung, so daß sich über die Gleichung
die im Abschlußwiderstand Z0 eines Leistungssensors umgesetzte Leistung berechnen läßt.
Aufgrund der exponentiellen Strom-Spannungs-Kennlinie der Halbleiterdiode sind dem
Diodengleichrichter bezüglich des Dynanamikbereichs enge Grenzen gesetzt. So ist nur in
einem relativ kleinen Bereich der Eingangsspannung, dem sogenannten quadratischen Be
reich, die Ausgangsspannung ausschließlich vom Effektivwert der Eingangsspannung ab
hängig, so daß streng genommen nur dort Leistungsmessungen für beliebige Signalformen
und Modulationsarten möglich sind. Außerhalb des quadratischen Bereichs bestimmt in
zunehmendem Maße der Spitzenwert der Eingangsspannung die Höhe der Ausgangsspan
nung, so daß der eindeutige Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Eingangs
leistung verloren geht. Lediglich wenn man sich auf einen bestimmten Signaltyp - zum Bei
spiel unmodulierte spektralreine Sinussignale - beschränkt, kann der dafür spezifische Zu
sammenhang zwischen dem Effektivwert der Eingangsspannung und der Ausgangsspan
nung dazu verwendet werden, um auch außerhalb des quadratischen Bereichs genaue Lei
stungsmessungen durchzuführen. Sobald aber das Eingangssignal von der Kurvenform
abweicht, für die der Gleichrichter kalibriert wurde (z. B. Messung an Sinussignal mit
Oberwellen anstelle eines spektralreinen Sinus), oder die Hüllkurve des Meßsignals modu
liert ist (AM, π/4-DQPSK, QAM etc.), treten außerhalb des quadratischen Bereichs Meß
abweichungen auf.
Zur Erweiterung des Proportionalitätsbereiches zwischen Ausgangsspannung und Ein
gangsleistung über den quadratischen Kennlinienteil hinaus ist es bekannt, den Ausgang
des Gleichrichters mit einem ohmschen Widerstand Rp (Heißleiter) zu belasten, der passend
zum Nullpunktwiderstand Ro, der Gleichrichterdiode gewählt ist (Hoer, C. A., Roe, K. C.,
Allread, C. M.: Measuring and Minimizing Diode Detector Nonlinearity, IEEE Transactions
on Instrumentation and Measurement. Vol. IM-25, No. 4, December 1976, pp. 324-329).
Bei geeigneter Dimensionierung von Rp = 0,4 × Ro wird gegenüber einer unbelasteten
Gleichrichterdiode eine Verbesserung des Dynamikbereichs von 17 dB erreicht, aufgrund
der Belastung mit dem ohmschen Widerstand geht aber gleichzeitig die Ausgangsspannung
auf etwa 1/3 des Leerlaufwertes zurück, so daß von einer effektiven Vergrößerung des
Proportionalitätsbereiches von etwa nur 12 dB ausgegangen werden kann. Diese bekannte
Schaltung ist wegen der unzureichenden Paarung zwischen Gleichrichter und Lastwider
stand außerdem stark temperaturabhängig und daher für eine Serienfertigung nur bedingt
geeignet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Diodengleichrichterschaltung zu schaffen, deren Dyna
mikbereich mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln über den quadratischen Bereich
hinaus vergrößert werden kann und die ein verbessertes Temperaturverhalten aufweist, so
daß z. B. auch Leistungsmittelwertmessungen an modulierten Sinussignalen möglich sind,
und zwar bis in den GHz-Bereich.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Ein- oder Mehrweg-HF-
Diodengleichrichterschaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kenn
zeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Gemäß der Erfindung wird anstelle eines linearen ohmschen Widerstandes (Heißleiter) ein
nichtlinearer Lastwiderstand mit einem relativen Temperaturkoeffizienten, der gleich dem
des Nullpunktwiderstandes der Gleichrichterdiode gewählt ist, benutzt. Auf Grund der
Nichtlinearität des Lastwiderstands wird eine höhere Ausgangsspannung als bei linearem
Lastwiderstand erreicht, durch den Temperaturgleichlauf von Lastwiderstand und Null
punktwiderstand entspricht der Temperaturkoeffizient der Ausgangsspannung dem eines
unbelasteten Gleichrichters und die Vergrößerung des Proportionalitätsbereiches liegt bei
etwa 10 dB. Mit relativ geringem schaltungstechnischem Aufwand wird so eine
Diodengleichrichterschaltung geschaffen, mit der auch Messungen des Leistungsmittel
wertes bzw. des Effektivwertes von modulierten Sinussignalen außerhalb des quadrati
schen Bereiches der Kennlinie der Gleichrichterdiode möglich sind. Auch die Eingangsim
pedanz bleibt außerhalb des quadratischen Bereiches weitgehend gleich.
Unter einem nichtlinearen Lastwiderstand wird ein Widerstand verstanden, bei dem das
Verhältnis von anliegender Spannung und Strom nicht linear ist und wie er beispielsweise
durch eine übliche Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode repräsentiert wird. Aus diesem
Grunde wird der nichtlineare Lastwiderstand vorzugsweise auch durch eine solche Diode
realisiert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbei
spielen näher erläutert
Für die in Fig. 1 dargestellte Grundschaltung eines Einweg-Gleichrichters gilt unter An
nahme einer idealen Diode V folgender Zusammenhang zwischen Spannung uv und Strom
iv:
Dabei ist is der Sperrsättigungsstrom der Diode, für den im Falle einer Schottky-Diode
gilt. n ist ein von der verwendeten Technologie beeinflußter Korrekturfaktor, der auch als
Idealitätsfaktor bezeichnet wird und sich zwischen 1,0 und 1,5 bewegt. uT wird als Tempe
raturspannung bezeichnet und hängt - außer von zwei Naturkonstanten - nur noch von der
absoluten Temperatur T ab:
A: Querschnittsfläche, R*: modifizierte Richardson-Konstante, k: Boltzmann-Konstante
(1,38.10-23 J/K), e0: Elementarladung (1,60.10-19 C), T: Temperatur in K, e0ΦBn: Potential
barriere.
Wie aus Gl. (2) ersichtlich ist, läßt sich die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Gleichrich
terdiode durch Sperrsättigungsstrom is und Idealitätsfaktor n vollständig charakterisieren.
Anstelle von is wird jedoch häufiger der Nullpunktwiderstand der Diode verwendet, der
über die Beziehung
mit Idealitätsfaktor n und is verknüpft ist. R0 hat eine unmittelbare physikalische Bedeu
tung, und zwar handelt es sich um den ohmschen Widerstand der Diode bei kleiner Aus
steuerung, der sich als Eingangs- und Ausgangswiderstand des Gleichrichters bemerkbar
macht. Wegen der Verknüpfung mit is hat der Nullpunktwiderstand dieselbe starke Tempe
raturabhängigkeit, und zwar ist - abhängig von der Barrierenhöhe e0ΦBn - mit einer Ver
doppelung bzw. Halbierung etwa alle 15 K zu rechnen.
Der Gleichrichter nach Fig. 1 wird aus einer Quelle mit dem Innenwiderstand Ri und einer
sinusförmigen EMK mit dem Effektivwert Uin, gespeist, die Ausgangsspannung uout wird in
einer Schaltung weiterverarbeitet, deren Eingang durch die Kapazität C1 dargestellt ist (der
ohmsche Eingangswiderstand der nachfolgenden Schaltung soll so groß sein, daß er ver
nachlässigt werden kann). Dem Widerstand Rd fällt die Aufgabe zu, den Eingang der
nachfolgenden Schaltung hochfrequenzmäßig vom Gleichrichter zu entkoppeln. Weit
oberhalb der unteren Frequenzgrenze des Gleichrichters, die durch den Nullpunktwider
stand der Diode und die Ladekapazität Cr bestimmt ist, und unter Vernachlässigung von Ri
fällt die gesamte Eingangsspannung Uin über der Diode ab, so daß sich die Ausgangsspan
nung uout des Gleichrichters durch die Gleichung
beschreiben läßt. Aus Gl. (6) ist ersichtlich, daß bei dem zugrunde liegenden einfachen
Diodenmodell lediglich ein Dioden-spezifischer Parameter, der Idealitätsfaktor n, die Höhe
der Leerlauf-Ausgangsspannung bestimmt.
I0(. . .) ist die modifizierte Besselsche Funktion erster Gattung und nullter Ordnung, die sich
in eine Potenzreihe bezüglich Uin entwickeln läßt. Unter Vernachlässigung der Glieder hö
herer Ordnung erhält man im quadratischen Bereich
und für sehr große Eingangsspannungen
Für Ausgangsströme weit unterhalb des Sperrsättigungsstroms der Diode, wie sie bei pas
siver Last und Aussteuerung innerhalb des quadratischen Bereichs auftreten können, ist der
Ausgangswiderstand gleich dem Nullpunktwiderstand R0 der Diode, und es gilt das lineare
Ersatzschaltbild nach Fig. 2. Wegen der linearen Schaltungsparameter und der Proportio
nalität zwischen der Leerlauf-Ausgangsspannung und U 2|in ist gewährleistet, daß bei zeit
veränderlicher Amplitude des Eingangssignals der Mittelwert der Ausgangsspannung uout
stets proportional zum Mittelwert von U 2|in, d. h. proportional zum Leistungsmittelwert des
Meßsignals ist.
Im Ersatzschaltbild für beliebig große Eingangsspannungen gemäß Fig. 3 muß an die Stelle
von R0 die Gleichrichterdiode V treten, und die Leerlauf-Ausgangsspannung ist entspre
chend Gl. (6) nicht mehr linear von der Eingangsleistung abhängig. Die nichtlineare Aus
gangsimpedanz des Geichrichters macht sich dann störend bemerkbar, wenn die Lastimpe
danz Cr// (Rd + C1) nicht mehr gegenüber R0 zu vernachlässigen ist, d. h. für höherfrequente
Komponenten der gleichgerichteten Spannung. Für diese tritt eine aussteuerungsabhängige
Spannungsteilung auf, die zu einer Art zweiter Gleichrichtung führt und die Ausgangs
spannung über den Mittelwert der Leerlaufspannung hinaus erhöhen kann. Der Effekt
macht sich insbesondere bei breitbandigen HF-Signalen mit hohem Scheitelfaktor (z. B. W-
CDMA) bemerkbar, die - der hohen Bandbreite entsprechend - höherfrequente Anteile
großer Amplitude in der gleichgerichteten Spannung enthalten.
Um den Meßbereich des Gleichrichters zu vergrößern, in welchem ein Verhalten entspre
chend Fig. 2 erzielt wird, sind zwei Maßnahmen nötig: Zum einen muß die Leerlaufspan
nung über einen größeren Umfang als durch den quadratischen Bereich gegeben propor
tional zu U 2|in sein, zum anderen muß der Ausgangswiderstand der Schaltung linearisiert
werden, wobei die zweite Maßnahme dann unterbleiben kann, wenn für alle spektralen
Komponenten der gleichgerichteten Spannung gewährleistet ist, daß die zugehörige La
stimpedanz groß gegenüber dem Nullpunktwiderstand der Diode ist, also keine aussteue
rungsabhängige Teilung zu erwarten ist.
Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung für eine Einweg-
Gleichrichterschaltung und zwar zeigt Fig. 4a eine Anordnung der Diode V für positive
Ausgangsspannung und Fig. 4b die Anordnung für negative Ausgangsspannung. Gemäß
der Erfindung ist zwischen Gleichspannungsausgang A und Massebezugspunkt M der Ein
gangsspannung ein nichtlinearer Lastwiderstand Rp geschaltet. Für die Strom-Spannungs-
Kennlinie eines optimalen Lastwiderstandes Rp kann aus den Gleichungen (2) und (6) die
Beziehung
abgeleitet werden. Abhängig vom Teilungsfaktor ν, dem Verhältnis der Ausgangsspannung
zur Leerlauf-Ausgangsspannung des Gleichrichters im quadratischen Bereich, liefert sie
den optimalen Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie, die sich dann auf verschiedene
Weise approximieren läßt.
Wie aus (9) hervorgeht, muß der Lastwiderstand Rp stets dieselbe relative Temperaturab
hängigkeit wie der Nullpunktwiderstand der Gleichrichterdiode V besitzen, damit die Line
arisierung über größere Temperaturbereiche erhalten bleibt. Vorzugsweise wird daher der
Lastwiderstand als einzelne zum Gleichrichter gepaarte Diode oder als Netzwerk gepaarter
Dioden ausgebildet, welche dieselbe Temperaturabhängigkeit wie die Gleichrichterdiode V
besitzen.
Der nichtlineare Ausgangswiderstand einer erfindungsgemäßen Schaltung kann zusätzlich
durch einen in Serie geschalteten nichtlinearen Widerstand Rs nach Fig. 4 kompensiert
werden, so daß sich das lineare Ausgangs-Ersatzschaltbild nach Fig. 5 mit linearem Aus
gangswiderstand Rout und leistungsproportionaler Leerlaufspannung ergibt.
Mit einem erfindungsgemäßen nichtlinearen Lastwiderstand Rp, der vorzugsweise in ther
mischem Kontakt mit der Diode V steht und damit auf gleichem Temperaturniveau wie die
Diode V liegt, wird der Proportionalitätsbereich um etwa 10 dB vergrößert, also im we
sentlichen um den gleichen Wert wie bei einer bekannten Schaltung mit linearem Lastwi
derstand, jedoch mit wesentlich verbessertem Temperaturverhalten, günstigerem Verhalten
des Eingangsleitwertes außerhalb des Proportionalitätsbereiches sowie höherer Ausgangs
spannung bei gleicher Leistung.
Als nichtlinearer Lastwiderstand Rp wird vorzugsweise eine Diode V1 benutzt, deren Null
punktwiderstand und Idealitätsfaktor möglichst gut mit den entsprechenden Parametern
der Gleichrichterdiode V übereinstimmt. Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Serien
widerstand Rs, Fig. 7 ohne Serienwiderstand.
Bei Verwendung von gepaarten Dioden für die Gleichrichterdiode V und die Lastdiode V1
z. B. von benachbarten Stellen eines Wafers (im Handel in Form von Dioden-Paaren oder
-Quartetten erhältlich), kann sogar von einem Temperaturgleichlauf aller Parameter ausge
gangen werden. Es muß dann nur noch dafür gesorgt werden, daß alle Dioden auf glei
chem Temperaturniveau angeordnet sind. Die Funktion der Schaltung wird dann über ei
nen sehr großen Temperaturbereich gewährleistet sein. Beide Eigenschaften, d. h. Tempe
raturgleichlauf der Parameter und annähernd gleiches Temperaturniveau, sind automatisch
gegeben, wenn die Dioden als Bestandteile einer monolithisch integrierten Schaltung aus
geführt werden.
Gegenüber der Schaltung mit linearer ohmscher Belastung (Heißleiter) ist der Eingangs
leitwert einer erfindungsgemäßen Schaltung außerhalb des Proportionalitätsbereiches we
niger stark von der Höhe der Eingangsspannung abhängig als bei einer Schaltung mit linea
rer ohmscher Belastung. Das ist besonders bei Schaltungen vorteilhaft, bei denen es sich
nicht vermeiden läßt, daß zumindest ein Gleichrichter weit über den Proportionalitätsbe
reich hinaus ausgesteuert wird. Je weniger der übersteuerte Gleichrichter dabei seine Ein
gangsimpedanz ändert, umso weniger wird die restliche Schaltung davon beeinflußt wer
den, und umso weniger wird sich die eingangsseitige Anpassung der Schaltung verändern.
Außerdem verringert sich in einer erfindungsgemäßen Schaltung der Eingangsleitwert bei
Verlassen des Proportionalitätsbereichs - die Schaltung wird hochohmiger - während er in
einer Schaltung mit linearem Lastwiderstand zunimmt. Dadurch werden die vom Gleich
richter in das Meßobjekt emittierten Störungen minimiert, während sie in der Schaltung mit
linearem Lastwiderstand zunehmen.
Wegen der Nichtlinearität der Strom-Spannungs-Kennlinie der Lastdiode kann eine erfin
dungsgemäße Schaltung eine höhere Ausgangsspannung als eine Schaltung mit linearem
Lastwiderstand liefern. Wenn Gleichrichter- und Lastdiode denselben Nullpunktwiderstand
besitzen, beträgt die Ausgangsspannung einer erfindungsgemäßen Schaltung im quadrati
schen Bereich genau die Hälfte der Ausgangsspannung des leerlaufenden Gleichrichters,
während die Schaltung mit Heißleiter auf lediglich 29% der Leerlaufspannung kommt.
Deswegen gestattet die erfindungsgemäße Schaltung das Messen etwas kleinerer Leistun
gen als eine Schaltung mit Heißleiter.
Bei breitbandig modulierten Signalen kann es außerhalb des quadratischen Bereichs zu
Meßabweichungen durch dynamische Spannungsteilung mit der Ladekapazität (Cr) und der
Eingangskapazität der angeschlossenen Schaltung (C1) kommen. Während sich die Lade
kapazität meist ausreichend klein halten läßt - breitbandig modulierte Signale werden übli
cherweise bei Frequenzen über 500 MHz eingesetzt und dafür genügen Ladekapazitäten
von einigen pF - sind der Reduktion von C1 gewisse Grenzen gesetzt. Die Probleme lassen
sich deutlich reduzieren, wenn zwischen den Ausgang des Gleichrichters und den Eingang
der nachfolgenden Verstärkerschaltung gemäß Fig. 4 ein passender nichtlinearer Wider
stand Rs geschaltet wird, mit dem sich der Ausgangswiderstand linearisieren läßt. Dann ist
auch der Einfluß von C1 vernachlässigbar. Der hinzugefügte nichtlineare Widerstand Rs
besteht im einfachsten Fall gemäß Fig. 9 aus zwei parallelgeschalteten, zu Gleichrichter-
und Lastdiode hinsichtlich des Nullpunktwiderstands gepaarten Dioden V2 und V3 oder
gemäß Fig. 8 aus nur einer zu Gleichrichter- und Lastdiode hinsichtlich des Nullpunktwi
derstands gepaarten Diode V4 und einem parallelgeschalteten Heißleiter R1. Der Wider
stand des Heißleiters sollte etwas größer als der Nullpunktwiderstand der Diode, z. B.
1,55fach, gewählt werden. Der Temperaturkoeffizient des Heißleiters R1 ist an den Tempe
raturkoeffizienten des Nullpunktwiderstands der Dioden anzupassen.
Die besten Ergebnisse hinsichtlich der Erweiterung des Proportionalitätsbereichs werden
zwar dann erzielt, wenn Gleichrichter- und Lastdiode absolut identische Eigenschaften
aufweisen. Es kann unter Umständen aber sinnvoll sein, den Nullpunktwiderstand der
Lastdiode V1 etwas kleiner als den der Gleichrichterdiode zu wählen, weil dann sogar noch
eine weitere Vergrößerung des Proportionalitätsbereichs (auf Kosten der Linearität bei
kleinen Leistungen) möglich wird. Eine solche unsymmetrische Dimensionierung ist auf
dreierlei Weise möglich: durch geeignete Paarung, durch die Fertigung von Dioden unter
schiedlicher Geometrie (dem Verhältnis der Nullpunktwiderstände entsprechend) auf ei
nem Wafer oder als Bestandteile einer monolithisch integrierten Schaltung oder durch die
Parallelschaltung einer Diode mit einem Vielfachen des Nullpunktwiderstands der Gleich
richterdiode parallel zur Lastdiode. Wenn der Nullpunktwiderstand der parallelgeschalte
ten Diode zum Beispiel 10mal so groß wie der der Gleichrichterdiode gewählt wird, ent
spricht dies einem Verhältnis r = 0,9 der Nullpunktwiderstände. Wenn also von Paarung
gesprochen wird, so sollte eine definierte kleine Abweichung von absoluter Gleichheit mit
eingeschlossen sein.
Die Anforderungen an die Paarung der anderen Parameter sind unterschiedlich. Wesentlich
ist, daß Idealitätsfaktor n und relativer Temperaturkoeffizient des Nullpunktwiderstands
von Gleichrichter- und Lastdiode gut übereinstimmen.
Fig. 10 bis 14 zeigen weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Gleich
richterschaltung, die ähnlich günstige Eigenschaften hinsichtlich der Erweiterung des Pro
portionalitätsbereichs aufweisen wie die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 6 bis 9. In
der Schaltung nach Fig. 10 wird der nichtlineare Widerstand durch drei Dioden V5, V6
und V7 gebildet, ebenso im Ausführungsbeispiel nach Fig. 11. In Fig. 10 ist die eine
Diode V5 wie die Einzeldiode V1 wieder zwischen Gleichspannungsausgang A und Masse
M geschaltet, die beiden anderen Dioden V6 und V7 sind gegensinnig in Serie parallel dazu
zwischen Ausgang A und Masse M angeordnet. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 sind
diese beiden Dioden V6 und V7, in gleicher Richtung gepolt in Serie geschaltet und zwi
schen Ausgang A und Masse M angeordnet. Der nichtlineare Lastwiderstand könnte auch
durch eine noch größere Anzahl von gepaarten Dioden gebildet sein, wesentlich ist eine
möglichst gute Übereinstimmung der relativen Temperaturkoeffizienten der Nullpunktwi
derstände all dieser Dioden.
Bei den bisher besprochenen Schaltungen handelte es sich ausnahmslos um Einweg-
Gleichrichter, d. h. Anordnungen mit einer Gleichrichterdiode, die abhängig von deren Ori
entierung eine positive oder negative Ausgangsspannung liefern. Selbstverständlich lassen
sich alle erfindungsgemäßen Merkmale auf Zweiweg-Gleichrichterschaltungen übertragen.
Im einfachsten Fall besteht ein Zweiweg-Gleichrichter gemäß Fig. 12a aus zwei quasi
identischen Gleichrichterdioden Va und Vb, die von derselben HF-Spannung gespeist wer
den und sich lediglich in der Orientierung der Diode unterscheiden, wodurch die eine
Gleichrichterdiode eine positive und die andere eine negative Ausgangsspannung liefert
(Zweiweg-Gleichrichter mit bipolarer Ausgangsspannung). Jeder der beiden Gleichrichter
dioden kann ein entsprechender nichtlinearer Lastwiderstand zugeordnet werden. Häufig
ist es jedoch so, daß nur die Differenz-Ausgangsspannung zwischen den beiden Ausgängen
weiterverarbeitet wird, um den Gleichtakt-Anteil zu unterdrücken. In diesem Fall werden
die beiden Lastwiderstände miteinander verbunden bzw. es wird nur ein Lastwiderstand
zwischen den beiden Ausgängen Aa und Ab angeordnet, der doppelt so groß wie für einen
entsprechend dimensionierten Einweg-Gleichrichter gewählt wird (Fig. 12b). Die Serien
widerstände Rsa und Rsb zur Linearisierung des Ausgangswiderstandes bleiben unverändert.
Daneben sind Dimensionierungen des Lastwiderstandes für Zweiweg-Gleichrichter mög
lich, die sich nicht auf Einweg-Gleichrichter-Schaltungen übertragen lassen, wie dies Fig.
13 zeigt. In dieser Schaltung sind jeweils zwei Dioden V8 und V9 bzw. V10 und V11 gegen
polig in Serie zwischen den Ausgängen Aa und Ab angeordnet.
Fig. 14 zeigt eine Zweiweg-Diodengleichrichterschaltung mit unipolarer Ausgangsspan
nung. Die Eingangsspannung wird über einen Koppelkondensator Ck den beiden Gleich
richterdioden Va und Vb zugeführt, denen ein gemeinsamer Ladekondensator Cr zugeordnet
ist. Auch hier ist wieder ein nichtlinearer Lastwiderstand Rp und ein Serienwiderstand Rs
vorgesehen, die beide wieder doppelt so groß wie für eine entsprechend dimensionierte
Einweg-Diodengleichrichterschaltung dimensioniert sind, ansonsten aber entsprechend den
vorhergehenden Ausführungsbeispielen ausgebildet sind.
Die Erfindung ist auch bei Spannungsvervielfacher-Schaltungen anwendbar, im einfachsten
Fall wird auch hier die Dimensionierung einer Einweg-Diodengleichrichterschaltung über
nommen und sowohl der Lastwiderstand Rp als auch der Serienwiderstand Rs entsprechend
N × so groß wie für die Einwegschaltung gewählt, wobei N der Spannungsvervielfa
chungsfaktor ist.
Claims (23)
1. Ein- oder Mehrweg-HF-Diodengleichrichterschaltung mit mindestens einer
Gleichrichterdiode (V) und mindestens einem ausgangsseitigen Ladekondensator (Cr),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Ausgang der Gleichrichterschaltung mit einem etwa den gleichen relativen Tempe
raturkoeffizienten wie der Nullpunktwiderstand (Ro) der Gleichrichterdiode (V) aufweisen
den und derart nichtlinearen Lastwiderstand (Rp) belastet wird, daß eine Linearisierung des
Verhältnisses von Ausgangsspannung zu Eingangsleistung über den quadratischen Bereich
hinaus bewirkt wird.
2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der relative Temperaturkoeffizient des nichtlinearen Lastwiderstandes höchstens
um ±25%, vorzugsweise höchstens um ±2% von dem des Nullpunktwiderstandes der
Gleichrichterdiode (V) unterscheidet.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand aus mindestens einer Diode (V1; V5 bis V7; V8 bis V11)
besteht.
4. Schaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der relative Temperaturkoeffizient des Nullpunktwiderstands der den nichtlinea
ren Lastwiderstand bildenden Diode bzw. Dioden höchstens um ±25%, vorzugsweise
höchstens um ±2% von dem des Nullpunktwiderstandes der Gleichrichterdiode (V) unter
scheidet.
5. Schaltung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der Idealitätsfaktor (n) der den nichtlinearen Lastwiderstand bildenden Diode
bzw. Dioden höchstens um ±25%, insbesondere höchstens um ±2% vom Idealitätsfaktor
der Gleichrichterdiode (V) unterscheidet.
6. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den nichtlinearen Lastwiderstand bildende Diode bzw. Dioden und die Gleichrich
terdiode (V) bzw. Gleichrichterdioden (Va, Vb) auf gleichem Temperaturniveau angeordnet
sind.
7. Schaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den nichtlinearen Lastwiderstand bildende Diode bzw. Dioden und die Gleichrich
terdiode (V) bzw. Gleichrichterdioden (Va, Vb) Teil einer monolithisch integrierten Schal
tung sind.
8. Einweg-Diodengleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) zwischen Gleichspannungsausgang (A) und Mas
sebezugspunkt (M) der Eingangsspannung geschaltet ist (Fig. 4).
9. Zweiweg-Diodengleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che 1 bis 7 mit bipolarer Ausgangsspannung, bestehend aus zwei Gleichrichterdioden (Va
und Vb) mit je einem zugeordneten ausgangsseitigen Ladekondensator (Cra und Crb),
dadurch gekennzeichnet,
daß je ein nichtlinearer Lastwiderstand (Rpa, Rpb) zwischen die beiden Gleichspannungsaus
gänge (Aa, Ab) und den Massebezugspunkt (M) der Eingangsspannung geschaltet ist (Fig.
12a).
10. Zweiweg-Diodengleichrichterschaltung nach einem der vorhergehenden An
sprüche 1 bis 7 mit bipolarer Ausgangsspannung, bestehend aus zwei Gleichrichterdioden
(Va und Vb) mit je einem zugeordneten ausgangsseitigen Ladekonensator (Cra und Crb),
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) zwischen den beiden Gleichspannungsausgängen
(Aa, Ab) geschaltet ist (Fig. 12b).
11. Zwei- oder Mebrweg-Diodengleichrichterschaltung nach einem der vorherge
henden Ansprüche 1 bis 7 mit unipolarer Ausgangsspannung, bestehend aus einem Kop
pelkondensator (Ck), einer oder mehreren Gleichrichterdioden (Va, Vb) sowie einem oder
mehreren Ladekondensatoren (Cr),
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) zwischen Gleichspannungsausgang (A) und Mas
sebezugspunkt (M) der Eingangsspannung geschaltet ist (Fig. 14).
12. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp, Rpa, Rpb) aus einer einzigen Diode (V1) besteht,
deren Nullpunktwiderstand höchstens um -50%/+100%, insbesondere höchstens um
±10% vom Nullpunktwiderstand der Gleichrichterdiode (V, Va, Vb) abweicht, und die so
gepolt ist, daß sie durch die gleichgerichtete Spannung in Sperrrichtung angesteuert ist
(Fig. 6).
13. Schaltung nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp, Rpa, Rpb) aus der Parallelschaltung einer einzelnen
in Sperrichtung angesteuerten Diode (V5) mit der Reihenschaltung zweier weiterer Dioden
(V6, V7) gebildet wird, von denen mindestens eine in gleicher Richtung und die andere in
gleicher oder entgegengesetzter Richtung wie die einzelne Diode (V5) gepolt ist, und der
Nullpunktwiderstand jeder Diode höchstens um -50%/+100%, insbesondere höchstens
um ±10% vom Nullpunktwiderstand der Gleichrichterdiode (V, Va, Vb) abweicht (Fig. 10
bzw. 11).
14. Schaltung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) aus der Serienschaltung zweier Lastwiderstände
nach den Ansprüchen 12 und 13 besteht, die jeweils nach dem Mittelwert aus den beiden
Nullpunktwiderständen der Gleichrichterdioden (Va, Vb) bemessen sind.
15. Schaltung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) aus einem Lastwiderstand nach den Ansprüchen
12 und 13 besteht, der nach der Summe der Nullpunktwiderstände der beiden Gleichrich
terdioden (Va, Vb) bemessen ist.
16. Schaltung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) aus vier Dioden (V8 bis V11) besteht, deren Null
punktwiderstände höchstens um -50%/+100%, insbesondere höchstens um ±10% vom
Mittelwert aus den beiden Nullpunktwiderständen der Gleichrichterdioden (Va, Vb) abwei
chen, und von denen jeweils zwei gegensinnig in Serie angeordnet und diese Serienschal
tungen ihrerseits parallel geschaltet sind (Fig. 13).
17. Schaltung nach Anspruch 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Lastwiderstand (Rp) aus zwei gegensinnig in Serie geschalteten
Dioden besteht, deren Nullpunktwiderstände halb so groß wie der Mittelwert der beiden
Nullpunktwiderstände der Gleichrichterdioden (Va, Vb) sind und die davon um höchstens
-50%/+100%, insbesondere höchstens um ±10% abweichen.
18. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Schaltungen mit unipolarer Ausgangsspannung jeweils in Serie zum einzigen Aus
gang (A) bzw. bei Mehrweg-Schaltungen mit bipolarer Ausgangsspannung jeweils in Serie
zu jedem der Ausgänge (Aa bzw. Ab) ein zusätzlicher nichtlinearer Widerstand (Rs, Rsa, Rsb)
geschaltet ist, der zu einer Linearisierung des Ausgangswiderstands führt und dessen rela
tiver Temperaturkoeffizient an den relativen Temperaturkoeffizienten des Nullpunktwider
standes der Gleichrichterdiode (V) bzw. der Gleichrichterdioden (Va, Vb) angepaßt ist.
19. Schaltung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß als nichtlinearer Widerstand (Rs, Rsa, Rsb) ein Netzwerk aus Dioden benutzt wird, bei
denen der Temperaturkoeffizient der Nullpunktwiderstände in etwa dem Temperatur
koeffizienten des Nullpunktwiderstands der Gleichrichterdiode (V) bzw. der Gleichrichter
dioden (Va, Vb) entspricht.
20. Schaltung nach Anspruch 18 oder 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der relative Temperaturkoeffizient des nichtlinearen Widerstandes (Rs, Rsa, Rsb)
höchstens um -50%/+100%, vorzugsweise höchstens um ±10% von dem des Null
punktwiderstandes der Gleichrichterdiode (V) bzw. der Gleichrichterdioden (Va, Vb) unter
scheidet.
21. Schaltung nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Widerstand (Rs, Rsa, Rsb) aus einem Netzwerk aus mindestens einer
Diode (V4) und mindestens einem Heißleiter (R1) besteht (Fig. 8).
22. Schaltung nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Widerstand (Rs, Rsa, Rsb) durch zwei gleichsinnig parallel geschaltete
Dioden (V2, V3) gebildet ist, deren Kathoden bei Schaltungen mit positiver Ausgangsspan
nung (Fig. 9) bzw. deren Anoden bei Schaltungen mit negativer Ausgangsspannung an den
Verbindungspunkt von Gleichrichterdiode (V, Va, Vb) und nichtlinearem Lastwiderstand
(Rp, Rpa, Rpb) geschaltet sind und deren Nullpunktwiderstände höchstens um
-50%/+100%, vorzugsweise höchstens um ±10% vom Nullpunktwiderstand der
Gleichrichterdiode (V) bzw. dem Mittelwert der Nullpunktwiderstände der Gleichrichter
dioden (Va, Vb) abweichen.
23. Schaltung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß der nichtlineare Widerstand (Rs, Rsa, Rsb) durch die Parallelschaltung einer Diode (V4)
und eines Heißleiters (R1) gebildet ist, wobei der Kathodenanschluß der Diode bei einer
Schaltung mit positiver Ausgangsspannung (Fig. 8) bzw. der Anodenanschluß bei einer
Schaltung mit negativer Ausgangsspannung an den Verbindungspunkt von Gleichrichter
diode (V, Va, Vb) und nichtlinearem Lastwiderstand (Rp, Rpa, Rpb) geschaltet ist und der
Nullpunktwiderstand der Diode (V4) höchstens um -50%/+100%, vorzugsweise höch
stens um ±10% vom Nullpunktwiderstand der Gleichrichterdiode (V) bzw. dem Mittel
wert der Nullpunktwiderstände der Gleichrichterdioden (Va, Vb) abweicht und der Wider
stand des Heißleiters vorzugsweise 55% ± 25% größer als der Nullpunktwiderstand der
Gleichrichterdiode (V) bzw. der Mittelwert der Nullpunktwiderstände der Gleichrichter
dioden (Va, Vb) gewählt wird.
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