DE2134414A1 - Nichtlineare Verstärkeranordnung - Google Patents

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. F. "Weickmann, *. ^|ί3 '

Dipl.-Ing. H. Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DZIII ⁸ MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

5 K^l T^o„_M MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

.w. Karl .braun <98 392i/22>

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Beaverton, Oregon, USA

Uichtlineare Verstärkeranordnung

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine nichtlineare Verstärkeranordnung mit mehreren in Kaskade geschalteten gleichartigen Stufen und mit jeweils einem Operationsverstärker in jeder Stufe, der einen Inverterverstärker, eine vom Ausgang auf den Eingang des Inverterstärkers gekoppelte Rückkopplungsimpedanz und eine an den Eingang des Inverterverstärkers angekoppelte Koppelimpedanz aufweist.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, f

einen derartigen nichtlinearen Verstärker als einfach aufgebauten logarithmischen Verstärker auszubilden, in dem alle Stufen identisch sind. Ein derartiger logaritmischer Verstärker soll insbesondere unempfindlich gegen Änderungen der Eigenschaften der Schaltungskomponenten sein und keine Beschränkungen hinsichtlich der Mittenfrequenz oder der Bandbreite aufweisen.

Diese Aufgabe wird bei einer Verstärkeranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils ein Begrenzer von mehreren Begrenzern über wenigstens eine erste Impedanzkomponente der Eingangs-

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impedanz jeweils einer gleichartigen Stufe geschaltet ist, um die Verstärkung der Verstärkeranordnung als Punktion von Zunahmen der Eingangssignalamplitude zu reduzieren, und daß die Begrenzer ihren Widerstandswert jeweils von einem kleinen auf einen großen Wert ändern, um die wirksame Eingangs-Koppelimpedanz der Operationsverstärker zu vergrößern, und die Verstärkung zu reduzieren, wenn die Amplitude des EingangsSignaIs einen vorgegebenen Wert überschreitet, so daß die Stufen in sukzessiver Folge von einem Ausgang zu einem Eingang der Verstärkeranordnung derart betrieben werden, daß jede Stufe verschiedener Werte des Eingangssignals zu einem Betrieb mit kleiner Verstärkung übergeht.

Obwohl die im vorstehenden gekennzeichnete erfindungsgemäße Verstärkeranordnung vielseitig verwendbar ist, wird sie speziell als logarithmischer Verstärker für ein in einem Spektralanalysengerät verarbeitetes Signal verwendet. Ein derartiges Spektralanalysengerät trennt verschiedene frequenzkomponenten eines Signals und zeigt diese Signalkomponenten als ]Frequenz-Amplitudenzusammenhang an. Die erfindungsgemäße logarithmische Verstärkeranordnung ermöglicht die Anzeige eines dynamischen Amplitudenbereichs von 60 Dezibel auf einer linearen Skala. Der logarithmische Verstärker erzeugt ein Ausgangssignal, das im Zwischenfrequenz- oder Videofrequenzbereich mit dem Eingangssignal in einem logarithmischen Funktionszusammenhang steht. Dabei erfolgt eine Kompression eines großen Bereichs der Eingangssignalamplitude in einen kleinen Ausgangsbereich, welcher mit dem Eingangsbereich in logarithmisohem Zusammenhang steht. Bei einem aus der, US-Patentschrift 3 483 475 bekannten mehrstufigen logarithmischen Verstärker alt Operatio.nsverstärkerstufen werden im Gegensatz zur erflndungsgemäßeß Veratärkeranordnung

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keine parallel zur Eingangs-Koppelimpedanz der Operationsverstärker liegende Diodenbegrenzer verwendet, wie dies bei einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung der Fall ist. Es ist weiterhin aus der US-Patentschrift 3 197 627 bekannt, zur Bildung eines !Temperatur kompensierten Begrenzers ein Paar von gegensinnig in Serie geschalteten Dioden zu verwenden. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung sind dabei die Begrenzer parallel zum Eingang einer j

einzigen Yerstärkerstufe geschaltet. Damit besitzt die letztgenannte bekannte Anordnung gegenüber der erfindungsgemäßen Verstärkeranordnung den Nachteil, daß die durch die IBarallel-Begrenzer fließenden Ströme jeweils eisen verschiedenen Wert haben, und genau durch in Serie zu ihnen liegende variable Widerstände eingestellt werden müssen.

Der erfindungsgemäße logarithmische Verstärker besitzt weiterhin den Torteil, daß seine Stufen gleichartig a«sgebildet and voneinander entkoppelt sind, wobei jedoch jeweils €1® gleiche öleichvorspannung anliegt, so daß die Yerstärkeraaordnüng insgesamt einfach und billig | im Aufbau ist. Darüber hinaus sind der erfiadungsgemäßen Yeretärkeranordnung keine Beschränkungen der Kittenfretueaz oder der Bandbreite eigen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Yerstärkeranor-dnuag in sich thermisch stabilisiert und unempfindlich gegen änderungen der Sigenscfaaftea der Schaltungskomponenten.

Weitere Merkaale und Einzelheiten der Erfindung ergebe© sich as« der nachfoIgea&en Beschreibung von föE»n anhand der Figuren. Ea zeigt:

Fig. 1 ei» BlöcfcschaltbiM einer nichtlinearen Yer- «tärkeranordnung gemäß der Erfindung}

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Pig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer logarithmischen Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung; und

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Spektralana lysengerätes mit einer logarithmischen Verstärkeranordnung nach Pig· 2.

Wie Hg. 1 zeigt, enthält die nichtlineare Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung eine Vielzahl von in Kaskade geschalteten gleichartigen Stufen. Jede Stufe enthält einen Operationsverstärker und einen Begrenzer, welcher parallel zu einem Teil einer Eingangs-Koppelimpedanz des Operationsverstärkers liegt. So enthält eine erste Stufe der nichtlinearen Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung einen Operationsverstärker, welcher durch einen Inverterverstärker 10, einen zwischen dessen Ausgang und Eingang geschalteten Gegenkopplungswiderstand 12 und einen Eingangs-Koppelwiderstand aufweist. Dieser Eingangs-Koppelwi&erstand umfaßt zwei in Serie geschaltete Widerstände 14 und 16, welche zwischen den Eingang des Verstärkers und eine Eingangsklemme 18 der Verstärkeranordnung geschaltet sind. Bei diesen beiden Widerständen handelt es sich um einen ersten Eingangswiderstand Z.. und einen zweiten Eingangswiderstand Zp. Der konventionell ausgebildete Operationsverstärker besitzt aufgrund der liehen inneren Verstärkung des Inverterverstärker s 10 und der Gegenkopplung eine äußereVerstärkung, welche im wesentlichen gleich dem Verhältnis 2 /Z. der Mckkoppelimpedans Ζ_ψ und des Koppelwiserstandes Z. ist.

Gemäß der Erfindung wird die Verstärkung des Operationsverstärkers durcii Ander eng des Wertes des Eingangs—Koppe? !Verstandes Z_i mittels eines Begrenzers 20 geändert,

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welcher parallel zum ersten Eingangs-Koppelwiderstand 14 bzw. Z^ liegt. Der Begreucer kann ein stromgesteuerter Dioden-Begrenzer sein. Der Begrenzer 20 erhält eine Ruhevorspannung, derart, daß er eine kleine Impedanz Z-j- annimmt, welche etwa gleich oder kleiner als der Widerstandswert des ersten Eingangswiderstandes 14 ist. Damit wird die gesamte Parallelimpedanz der Größen Z, und Z, durch beide Größen festgelegt. Wenn jedoch die Amplitude des auf den Begrenzer 10 gegebenen Eingangssignals einen | vorgegebenen, durch den Gleichvorstrom in den Begrenzerdioden eingestellten Wert überschreitet, so schaltet der Begrenzer in einen Zustand extrem hoher Impedanz um. Bei dieser Bedingung hoher Impedanz ist die gesamte ^raralIe!impedanz der Giißen Z, und Z-^ im wesntl. gleich der Impedanz Z, des ersten Eingangswiderstandes 14. Daher ist dann die gesamte Eingangskoppelimpedanz Z. gleich der Summe des ersten Eingangswiderstandes Z- und des zweiten Eingangswiderstandes Ζ«.

Die zweite Stufe enthält ebenfalls einen durch einen Invert er verstärker 22 gebildeten Operationsverstärker, | bei dem ein Gegenkopplungswiderstand 24 zwischen Ausgang und Eingang und ein Eingangs-Koppelwiderstand Z_iQ in Eorm eines Paars von in Serie geschalteten Widerständen 26 und 28 vorgesehen ist, welche zwischen den Eingang des Verstärkers 22 und den Ausgang des Verstärkers 10 geschaltet sind. Weiterhin liegt parallel zum ersten Eingangskoppelwiderstand 26 ein zweiter Begrenzer 30 welcher ebenso wie der oben beschriebene Begrenzer 20 arbeitet. Es ist zu bemerken, daß der Begrenzer 30 durch das auf die Eingangsklemme 18 gegebene Eingangssignal eher als der Begrenzer 20 geschaltet wird, da dieses Eingangssignal vor der Einspeisung in den Begrenzer 30 durch die erste, den Verstärker 10 enthaltende Stufe

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versinkt wird. Obwohl also die beiden Begrenzer 20 und 30 den gleichen Ruhestrom erhalten und bei demselben Signalstromwert geschaltet werden, wird der Begrenzer der zweien Stufen aufgrund der Verstärkung der vorhergehenden Stufe zuerst geschaltet.

Wenn der nichtlineare Verstärker nach Fig. 1 als logarithmischer Verstärker verwendet wird, so besitzt jede Stufe die gleiche Verstärkungscharakteristik, welche sich von einem großen Verstärkungswert größer als eins auf einen kleinen Verstärkungswert gleich eins ändert, wenn der Begrenzer der jewei!eigen Stufe in einen Zustand hoher Impedanz geschaltet wird. Daher bildet jede Stufe ein Segment einer logarithmischen Kurve, welche den Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal und dem Ausgangssignal der logarithmischen Verstärkeranordnung angibt. Anstelle der dargestellten zwei Stufen können auch mehrere gleichartige Stufen vorgesehen werden, was schematisch durch eine gestrichelte Linie 31 dargestellt ist, wobei die weiteren Stufen zwischen den Ausgang der zweiten Stufe und einer Ausgangsklemme 32 der Verstärkeranordnung geschaltet sind. Im Betrieb werden die Stufen aus dem Betriebszustand hoher Verstärkung in den Betriebszustand mit der Verstärkung 1 im Vergleich zu ihrer Zusammenschaltung in umgekehrter Folge bzw. in sukzessiver Folge von der Ausgangsklemme 32 zur ^ingangsklemme 18 der logarithmischen Verstärkeranordnung umgeschaltet.

Die Begrenzer 20 und 30 können stromgesteuerte Schalter, wie beispielsweise Dioden sein, welche in den leitenden Zustand vorgespannt sind, in dem sie eine geringe Impedanz von etwa 800 0hm besitzen. Wenn das Eingangssignal diese Dioden in einen Zustand hoher Impedanz, d.h_e

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in Sperrichtung schaltet, so können sie als Leerlauf, d.h.. als unendlich groese Impedanz betrachtet werden. Aus Semperaturkompensationsgründen kann der stromgesteuerte Begrenzer durch ein Paar von gegensinnig in Serie geschalteten Dioden gebildet werden.

Die Gesamtverstärkung G™ der logarithmischen Verstärkeranordnung ist das Produkt der Einzelverstärkungen der Stufen G₃, *= G, χ G„ χ G, χ ·α·, wobei jede Stufe eine f Verstärkung besitzt, welche gleich dem Verhältnis Z^/Zj ist. Wie oben angegeben, ist Z. = Z₂ + X, worin X = dem gesamten Parallelwiderstand der Größe Z-, des ersten Ei ngngswi der Standes 16 oder 18 und des Widerstandes Z-r des Begrenzers 20 oder 30 im Zustand kleiner Impedanz oder einfach gleich Z, im Zustand großer Impedanz des Begrenzers ist. Wenn der Begrenzer in den Zustand hoher Impedanz umschaltet, so ändert sich die Verstärkung der Stufe auf 1, so daß Z_f/(Z^ + Z₂) = 1 ist.

Line Ausführungsform einer logarithmischen Verstärkeranordnung gemäß der Erfindung mit fünf Stufen 34, 36, 38, 40 j und 42 ist in Pig. 2 dargestellt, wobei jede Stufe von der ihr folgenden aus Gründen der Verdeutlichung durch eine gestrichelte Linie 44 abgetrennt ist. Da die Stufen identisch ausgebildet sind, wird lediglich die erste Stufe 34 im Detail beschrieben. InFig. 2 sind Elemente, welche denen nach Fi*:. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Operationsverstärker enthält einen inverterverstärker-TranslBtor 10', welcher ein npn-Transiator ist. Der JBnitter dieses Transistors ist geerdet, während sein Kollektor über einen Lastwiderstand 46 von 1,5 k-0hm an eine positive Gleichspannung von +10 V angeschaltet ist. Zwischen den Kollektor und dip --sein des Transistors ΙΟ¹ ist ein Rtickkoppelwiderii^tic 1,- ν ·η 4,02 k-0hm genehaltet. Uie hi n gangs -Koppe 1-

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widerstände 14 und 16 von 3,83 k-Ohm bzw. 200 Ohm sind über eine Wechselspannungs-Koppelkapazität 48 von 0,001 Mikrofarrad an die Basis des Transistors 10^f angeschaltet. Der Begrenzer 20 enthält ein Paar von gegensinnig in Serie geschalteten Dioden 50, 52, deren Kathoden an jeweils einer Klemme des ersten Eingangswiderstandes 16 liegen und deren Anoden über einen Vorspannungswiderstand 54 von 50 0hm gemeinsam an einer Gleichspannun g von +10 V liegen. Ein weiteres Paar von Torspannungswiderständen 56 und 58 von jeweils . 100 k^f0hm liegt zwischen einer negativen Vorspannung von - 10V und den Kathoden der Dioden 50 und 52. Daher sind die Begrenzerdioden 50 und 52 beide im Durchlaß vorgespannt, wobei in jeder Diode ein Gleichstrom von etwa 100 Mikroampere fließt. Der Inverterverstärker-Iransistor 10 ist ebenfalls in den leitenden Zustand vorgespannt, da seine Basis über einen Vorspannungswiäerstand 60 von 12 k*ohm an einer negativen Gleicher spannung von -10 V liegt.

Eine weitere Wechselspannungs-Koppelkapazität 62 von 0,001 Mikrofarrad ist zwischen djs Kathode der Diode 50 und die Eingangsklemme 18 der logarithmischen Verstärkeranordnung geschaltet. Diese Kapazität wirkt ebenso wie die Koppe!kapazität 48 primär als Gleichstrom-Entkoppelkapazität. Aus Gründen der Anpassung an die Eingangssigna!quelle liegt zwischen der Eingangsklemme 18 und Erde ein Eingangs-Ableitwiderstand 64 von 51 0hm.

Die logarithmische Verstärkeranordnung nach Pig. 2 besitzt eine Mittenfrequenz von 5 HHz und eine Bandbreite von 1 MHz· Dieser Verstärker kann in einem dynamischen Amplitudenbereich τοη 60 Dezibel arbeiten, wobei jede der fünf Stufen eine Verstärkung von 4 im Zustand !deiner Impedanz der Begrenzer besitzt.

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Die Gesamtverstärkung der logarithmischen Verstärkeranordnung ist etwa gleich 1 000. Daher erscheint ein auf die Eingangsklemme 18 gegebener Eingang von 150 MikroVolt an der Ausgangsklemme 32 als Aus gangs signal mit 150 Millivolt· Wenn die Amplitude der Eing\igsspannung um einen !Faktor 1 000 bzw. bis zur Grenze von 60 Dezibel des dynamischen Bereiches zunimmt, so wächst die Ausgangsspannung lediglich etwa um den faktor 24» so daß sich für eine Eingangsspannung von 150 Millivolt eine Ausgangs- J

spannung von 3,6 YoIt ergibt.

Wie i"ig. 3 zeigt, kann ein in der US-Patentschrift 3 487 314 beschriebenes Spektralanalysengerät mit einem logarithmischen Verstärker 66 gemäß Fig. 2 bestückt werden, welcher zwischen den Ausgang eines Zwischenfrequenz-Signalverstärkers 68 und den Eingang eines Videosignal-Detektors 70 zur Verstärkung des zu analysierenden Signals geschaltet ist. Ein auf einer Eingangeklemme 72 eines Eingangskreises 74 des Spektralanalysengserätes gegebenes Hochfrequenz-Signal wird in ein Zwischenfrequenzsignal überführt, das zur Kompression seines AmpIi- ,

tudenbereich.es über den logarithmischen Verstärker 66 ge- "

schickt wird, bevor es in den Video-Detektor 70 gelangt, und in ein auf eine Ausgangsklemme 76 des Spektralanalysengerätes videofrequentes Signal überführt wird« Andererseits ist es auch möglich, zur Verstärkung des Videosignals einen logarithmischen Verstärker zwischen den Video-Detektor 70 und die Ausgangsklemme 76 zu schalten.

- Patentansprüche -

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Claims (9)

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1. Niclitlineare Yerstärkeranordnung mit mehreren, in Kaskade geschalteten gleichartigen Stufen und mit jeweils einem Operationsverstärker in jeder Stufe, der einen Inverter verstärker, eine vom Ausgang auf den Eingang des Inverterverstärkers gekoppelte Rüekkopplungsimpedanz und eine an den Eingang des Inverterverstärkers angekoppelte Eoppelimpedanz aufweist, wobei die Verstärkung des Operationsverstärkers gleich dem Verhaltsnis der Bückkoppelimpedanz zur Koppe !impedanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Begrenzer (20) von mehreren Begrenzern über wenigstens eine erste Impedanzkomponente (14) der Eingangsimpedanz (14, 16) jeweils einer gleichartigen Stufe (34, 36, 38, 40, 42) geschaltet ist, um die Verstärkung der Verstärkeranordnung als Punktion von Zunahmen der Eingangssignalamplitude zu reduzieren und daß die Begrenzer ihren Widerstandswert jeweils von einem kleinen auf einen großen Wert ä^ern, um die wirksame Eingangs-Koppelimpedanz der Operationsverstärker (10, 12, 14, 16) zu vergrößern und die Verstärkung zu reduzieren, wenn die Amplitude des Eingangssignals einen vorgegebenen Wert überschreitet, so daß die Stufen (34, 36, 38, 40, 42) in sukzessiver Folge von einem Ausgang (32) zu einem Eingang (18) der Verstärkeranordnung derart betrieben werden, daß jede Stufe bei verschiedenen Werten des Eingangssignals zu einem Betrieb mit kleiner Verstärkung übergeht.

2. Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Äur Erzeugung einer logarithmischen Verstärkercharakteristik jede Stufe (34, 36, 38, 40, 42)

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äie gleiche Verstärkung mit einem Wert größer 1 bei kleiner Impedanz ihres Begrenzers (20) und die Verstärkung 1 bei großer Impedanz ihres Begrenzers besitzt.

3· Verstärkeranordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biickkoppelimpedanzen (12) und die Eingangsimpedanzen (14, 16) Widerstände sind. J

4. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzer (20) stromgesteuerte Schalter sind.

5. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter ein Paar von Dioden (50, 52) umfassen, welchen in gegensinniger Beihenschaltung über der ersten Widerstandskomponente (14) der Eingangsimpedanzen (14, 16) liegen, und daß eine zweite Widerstandskomponente (16) der Eingangsimpedanzen zwischen die erste Widerstandsekomponente und den Eingang der Inverterverstärker (10) geschaltet * ist.

6. Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzer (20) weiterhin einen ersten, an den Verbindungspunkt der Dioden (50, 52) geschalteten Vorspannungswiderstand (54) and ein Paar von zweiten, jeweils an die andere Klemme der Dioden geschalteten VorSpannungswiderständen (56, 58) aufweisen.

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7. Vers-fcrkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß j.e eine Kapazität eines Paars von Koppelkapazitäten (48, 62) inSerie mit den Dioden (50, 52) an jeweils ein Ende der Begrenzer (20) und jeweils eine (48) der beiden Koppelkapazitäten zwischen die erste und zweite Widerstandskomponente (14, 16) der Eingangs-Koppelimpedanzen geschaltet ist.

8· Verstärkeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Inverterverstärker (10) in jeder Stufe (34, 36, 38, 40, 42) als Iransistorverstärker (10*) in Emitterschaltung ausgebildet ist.

9. Verwendung einer Verstärkeranordnung nach einem der Anspifche 1 bis 8 in einem Spektralanalysengerät, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen den Ausgang eiues Zwischenverstärkers (68) und den Eingang eines Video-Detektors (70) gekoppelt ist

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