DE2145913B2 - Schaltung zum begrenzen elektrischer schwingungen - Google Patents
Schaltung zum begrenzen elektrischer schwingungenInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G11/00—Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general
- H03G11/002—Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general without controlling loop
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Description
40
Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung zum Begrenzen von Eingangsspannungen mit einem Operationsverstärker,
der zwei Eingänge aufweist und als Differenzverstärker arbeilet.
In Datenübertragungseinrichtungen wird sehr häufig ein Begrenzerverstärker für das Signalband benötigt,
um Frequenz- oder Phasendiskriminatoren anzusteuern. Dabei handelt es sich um Übertragungssysteme, bei
denen die zu übertragende Information in der zeitlichen Lage der Nulldurchgänge einer Trägerschwingung
enthalten ist. Durch die Begrenzung auf einen festen Spannungswert werden die Amplitudenschwankungen
des Empfangssignals beseitigt. Vor allem bei geringem Unterschied zwischen der Trägerfrequenz und der
Schrittgeschwindigkeit sollen durch die Amplitudenbegrenzung die Anteile der geradzahligen Harmonischen
der Signalfrequenz möglichst nicht erzeugt werden. Ein für diesen Anwendungszweck geeigneter Begrenzer soll
bereits bei Eingangsspannungen in der Größenordnung von Millivolt sicher begrenzen. Andererseits darf der
Begrenzer auch bei wesentlich höheren Spannungen, etwa 1 V effektiv, noch keine wesentlichen Unsymmetrien
in der begrenzten Ausgangsspannung aufweisen oder gar beschädigt werden. Bei Eingangsspannungen
unterhalb der Begrenzungsschwelle soll am Ausgang eine unverzerrte Sinusspannung abgegeben werden.
Ferner darf keine Schwingneigung feststellbar sein.
Die hohe erforderliche Verstärkung des Empfangssignals kann man am günstigsteu bezüglich Aufwand
und Raumbedarf mit integrierten Operationsverstärkern erreichea Im einfachsten Fall kann man den
Operationsverstärker übersteuern, und so die Signalspannung begrenzen. Dabei wird das Empfangssignal
durch das Anlaufen des Verstärkers an der Betriebsspannung begrenzt, so daß die Amplitude der
begrenzten Signale nicht einstellbar ist. Außerdem erfolgt die Begrenzung nicht symmetrisch, da der
Operationsverstärker typen- und exemplarabhängig in posttiverund negativer Richtung bei unterschiedlichen
Werten der Betriebsspannung abläuft Durch zusätzliche Begrenzung mit antiparallel geschalteten Dioden
oder in Serie geschalteten, entgegengesetzt gepolten Zenerdioden läßt sich bereits eine Verbesserung
erzielen. Die Begrenzung erfolgt jedoch nicht symmetrisch, da der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers
nicht bei 0 V liegt. Bei Pegelschwankungen ändert sich daher der Arbeitspunkt des Operationsverstärkers, so
daß bis zum Zeitpunkt, zu dem der Arbeitspunkt sich wieder eingestellt hat, eine starke unsymmetrische
Begrenzung und damit starke Verzerrungen der Kurvenform auftreten. Werden die Dioden in den
Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers eingeschaltet,
so wird bei Überschreiten der Schwellwerte der Dioden die Verstärkung auf den Wert 1 beschränkt,
so daß keine exakten Rechtecksignale nach der Begrenzung auftreten und die Kurvenform verschliffen
ist. Die Ausgangsspannung ist auf die gegebenen Schwellwerte der Dioden beschränkt und nicht
einstellbar.
Es ist bereits eine Spannungsbegrenzerschahung mit einstellbarem Begrenzungspegel für elektronische Signalverstärker
bekannt, bei der zur elektronischen Begrenzung der Ausgangssignalspannung des Verstärkers
auf einem vorgebbaren, von der Eingangssignalspannung unabhängigen Wert in Abhängigkeit von der
Größe einer Steuersignalspannung der Verstärkerausgang über Schwellenwertglieder, die eine der Verstärkerausgangsspannung
proportionale Spannung abgeben, mit dem einen Eingang eines Halbleiterscha'tkreises
verbunden ist. dessen Ausgang den Verstärkereingang beeinflußt und an dessen zweiten Eingang die
Steuersignalspannung anlegbar ist, deren Größe den Grenzwert am Verstärkerausgang bestimmt (DT-AS
12 92 201).
Diese Schaltung weist einen beträchtlichen Aufwand auf, wobei Schwellwertschaltungen mit Dioden und
Emitterfolgerschaltungen erforderlich sind. Ein Aufbau in einer integrierten Schaltkreistechnik ist wegen des
hohen Aufwandes erschwert.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Begrenzer für elektrische Schwingungen mit einstellbarer Grundverstärkung
und symmetrischer Begrenzung det Ausgangsspannung aufzuzeigen.
Die Lösung besteht darin, daß das zu begrenzende Signal am nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers
anliegt, daß der invertierende Eingang über einen ersten Widerstand mit dem Bezugspunkt des
Eingangssignals und über einen zweiten Widerstand mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist,
daß zwei in Sperrichtung vorgespannte komplementäre Transistoren angeordnet sind, deren Emitterelektroden
am Ausgang des Operationsverstärkers und deren Kollektorelektroden mit dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers verbunden sind, und daß die
begrenzte Spannung am Augang des Operationsverstärkers gegen den Bezugspunkt entsteht.
Die erfindungsgemäße Schaltung weist gegenüber dem Stand der Technik einen wesentlich geringeren
Aufwand an Bauelementen auf und eignet sich besonders vorteilhaft zur Realisierung in einer integrierten
Schaltkreistechnik. Zusätzliche Schiweliwertstufen
oder Emhterfolgerschalter sind nicht erforderlich.
Der Begrenzerverstärker erfordert einen geringen
Aufwand, und die Verstärkung ist auf einfache Weise im linearen Bereich einstellbar. Bei größerer Aussteuerung
wird die Ausgangsspannung auf feste positiv und negativ vorgegebene Werte begrenzt, so daß der
Operationsverstärker im linearen Bereich arbeitet Die Symmetrie des begrenzten Signals, d. h. der Zeitunterschied
zwischen positiver und negativer Halbwelle des begrenzten Signals, hängt nur von der Genauigkeit der
Vorspannung der beiden komplementären Transistoren ab. Bei sprunghaften Änderungen des Eingangspegels
tritt im gesamten Aussteuerbereich des Verstärkers keine Arbeitspunktverschiebung auf. Die Grundverstärkung
und die Amplitude des begrenzten Ausgangssignals sind leicht einstellbar, die Schaltung hat hohen
Eingangs- und kleinen Ausgangswiderstand, Eingang und Ausgang liegen gleichstrommäßig nahezu auf dem
Potential Null. Die Schaltungsanordnung eignet sich besonders vorteilhaft für die Verstärkung und symmetrische
Begrenzung der trägerfrequenten Signalspannung in Datenübertragungseinrichtungen mit Frequenzoder
Phasenmodulation oder auch als Verstärker in Regelkreisen mit definierten Endwerten. Unterhalb der
Ansprechschwelle arbeitet der Verstärker exakt linear. Die Schaltungsanordnung eignet sich auch zur Begrenzung
von Signalen in Gleichstromtastsystemen.
Einzelheiten oer Erfindung werden anhand eines Prinzipschaltbildes und eines vorteilhaften Ausführungsbeispieles,
die in den Figuren dargestellt sind, erläutert.
Fig. 1 zeigt die Prinzipschaltung des Begrenzerverstärkers
nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Begrenzerverstärkers.
In Fig. 1 besitzt der Operationsverstärker KI einen
nichtinvertierenden Eingang ( + ), an dem die Elingangsspannung U0 gegen den Bezugspunkt (0 V) anliegt. Der
invertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers liegt über den Widerstand R1 an Erde. Mit dem
Widerstand R 1 und einem weiteren Widerstand R 2, der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers
und dem invertierenden Eingang angeordnet ist, wird ein Gegenkopplungszweig gebildet, mit dem die
Verstärkung des Verstärkers eingestellt wird. Im Gegenkopplungszweig sind zusätzlich noch die beiden
komplementären Transistoren Π und 7"2 angeordnet, die mit den beiden Spannungen + (Λ und - Uv
vorgespannt sind, so daß im Ruhezustand beide Transistoren gesperrt sind. Ist die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers Vl kleiner als die Vorspannung
Uv der Transistoren 7*1 und 7*2, so arbeitet die
Schaltung als linearer Verstärker. Beim Erreichen bzw. beim Überschreiten der Vorspannung bleibt die
Ausgangsspannung konstant. Überschreitet die Eingangsspannung den Wert der Vorspannung, so hat die
Schaltung die Verstärkung 1. Am Ausgang des Operationsverstärkers entsteht gegen den Bezugspunkt
(0 V) die Ausgangsspannung U2.
In Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uo besitzt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung drei
Arbeitsbereiche. Dereine Arbeitsbereich herrscht dann,
wenn die Ausgangsspannung U2 unterhalb der Sperrspannung der Transistoren liegt. Unter der Voraussetzung, daß der Eingangswiderstand und die Verstärkung
des Operationsverstärkers sehr groß sind, gilt für die Grundverstärkung v: . .
R2
Mit dem Widerstandsnetzwerk R i und R 2 für die
Gegenkopplung wird die. Verstärkung eingestellt, so
daß der Operationsverstärker im linearen Bereich
arbeitet und nicht begrenzt. Die beiden Transistoren sind unter folgender Bedingung gesperrt:
i/o ■ v<
Übe;
Die am Eingang anliegende Eingangsspannung LO
tritt am Ausgang des Operationsverstärkers verstärkt auf und ist kleiner als die Vorspannung Uv und die
Durchlaßspannung Übe der Basis-Emitter-Diode der
Transistoren. Die beiden Transistoren sind gesperrt, wobei am Transistor Ti eine positive Sperrspannung
+ Uv und am Transistor T2 eine negative Sperrspannung
- Uv anliegt. Die oben angeführte Bedingung gilt unabhängig vom Vorzeichen der Spannungen für jede
empfangene Halbwelle, so daß ein positiver und ein negativer Ansprechwert gegeben sind. Die Ausgangsspannung
U2 = ν ■ Uo. Der Operationsverstärker wirkt
als linearer Verstärker.
Im zweiten Arbeitsbereich überschreitet die Ausgangsspannung
U2 die Vorspannung für die Transistoren 7Ί und T2. Es gilt dann folgende Beziehung:
ν · Uo>Uv+Ube
Wenn der positive Wert der verstärkten Eingangsspannung den positiven Wert von Uv+ Übe überschreitet,
arbeitet der Transistor 7"! als linearer Verstärker.
Durch die zusätzliche Gegenkopplung über den Transistor 7Ί folgt die Spannung am invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers der Eingangsspannung LO, so daß eine obere Schwelle besteht, an der die
Begrenzung der Ausgangsspannung in positiver Richtung erfolgt. Wenn die verstärkte Eingangsspannung in
negativer Richtung den Wert Uv+ Übe überschreitet,
arbeitet der Transistor Γ2, und durch die einsetzende Gegenkopplungswirkung wird die negative Begrenzung
des Ausgangssignals festgelegt. Dabei laufen weder der Operationsverstärker noch die beiden komplementären
Transistoren an der Betriebsspannung an, so daß stets eine exakte symmetrische Begrenzung gewährleistet ist.
Die Ausgangsspannung U2 = Uv+ Übe- Daraus ist zu
ersehen, daß die Ausgangsspannung U2 unabhängig von
der Eingangsspannung U0 ist und die Schaltung als
Begrenzer wirkt.
Im dritten Arbeitsbereich ist bereits die Eingangsspannung U0 größer als die Sperrspannung an den
Transistoren, und zwar:
Uo>Uv+Ube
In diesem Zustand ist im positiven Bereich der Eingangsspannung LO der Transistor 7Ί und im
negativen Bereich der Eingangsspannung der Transistor 7*2 völlig durchgeschaltet, so daß der Strom durch die
Transistoren nicht mehr erhöht werden kann. Über den jeweils leitenden Transistor ist der Ausgang des
Operationsverstärkers mit dessen invertierendem Eingang verbunden. Der Operationsverstärker arbeitet
jetzt als Verstärker mit der Verstärkung 1, so daß
Ui = Uo. In diesem Bereich besitzt das Ausgangssignal
im Maximum der positiven und negativen Amplitude keine exakte Begrenzung mehr.
F i g. 2 zeigt ein vollständiges Schaltbild eines Begrenzerverstärkers. Die Schaltung ist wie Fig. 1
aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß über den Kondensator Cl als Eingangssignal nur Wechselspannungssignale
zugeführt werden können. Mit dem Widerstand A3 wird der Eingangswiderstand festgelegt
Die Sperrspannungen für die beiden Transistoren Tl und T2 werden über den Spannungsteiler A4, R5
und /?6 von der Betriebsspannung +12 V und —12 V
abgeleitet. Durch die Parallelschaltung von spannungs-
begrenzenden Schaltmitteln, z. B. Zenerdioden, zu den Spannungsteilerwiderständen kann die Sperrspannung
konstant und damit unabhängig von der Betriebsspannung gehalten werden. Damit ist die Ausgangsspannung
völlig unabhängig von der Betriebsspannung. Der Kondensator C2 dient zur Stabilisierung des Arbeitspunktes des Operationsverstärkers. Die Größe der
begrenzten Ausgangsspannung kann durch Veränderung der Spannungsteilerwiderstände in einem weiten
Bereich geändert werden, indem die Vorspannung für die Transistoren verändert wird. Die Symmetrie des
begrenzten Signals hängt nur von der Genauigkeit der Vorspannungen ab.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Schaltung zum Begrenzen elektrischer Schwingungen
mit einem Operationsverstärker, der zwei Eingänge aufweist und als Differenzverstärker
arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daßdas zu begrenzende Signal am nichtinvertierenden
Eingang (+) des Operationsverstärkers (Vl) anliegt, daß der invertierende Eingang (—) über einen ι ο
ersten Widerstand (R 1) mit dem Bezugspunkt (0 V) des Eingangssignals und über einen zweiten
Widerstand:ifR2) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers
verbunden ist, daß zwei in Sperrichtung vorgespannte komplementäre Transistoren (Ti,
T2) angeordnet sind, deren Emitterelektroden am Ausgang des Operationsverstärkers und deren
Kollektorelektroden mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden sind, und
daß die begrenzte Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers gegen den Bezugspunkt
entsteht.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler (RA, R5,
R 6) an der Betriebsspannung angeordnet ist, daß ein Abgriff des Spannungsteilers für eine positive
Vorspannung an der Basiselektrode des einen Transistors (Ti) und ein Abgriff für eine negative
Vorspannung an der Basiselektrode des anderen Transistors (T2) anliegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallei zu den Spannungsteilerwiderständen
spannungsbegrenzende Schaltmittel angeordnet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (R 1) über
einen Kondensator (Cl) am Bezugspunkt (0 V) anliegt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712145913 DE2145913C3 (de) | 1971-09-14 | Schaltung zum Begrenzen elektrischer Schwingungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712145913 DE2145913C3 (de) | 1971-09-14 | Schaltung zum Begrenzen elektrischer Schwingungen |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2145913A1 DE2145913A1 (de) | 1973-03-22 |
DE2145913B2 true DE2145913B2 (de) | 1977-02-03 |
DE2145913C3 DE2145913C3 (de) | 1977-09-15 |
Family
ID=
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4020043A1 (de) * | 1990-06-23 | 1992-01-09 | Igedo Internationale Modemesse | Elektronische lautstaerkebegrenzungsvorrichtung |
DE10008316A1 (de) * | 2000-02-23 | 2001-08-30 | Sennheiser Electronic | Begrenzerschaltung |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4020043A1 (de) * | 1990-06-23 | 1992-01-09 | Igedo Internationale Modemesse | Elektronische lautstaerkebegrenzungsvorrichtung |
DE10008316A1 (de) * | 2000-02-23 | 2001-08-30 | Sennheiser Electronic | Begrenzerschaltung |
DE10008316B4 (de) * | 2000-02-23 | 2008-11-20 | Sennheiser Electronic Gmbh & Co. Kg | Begrenzerschaltung |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2145913A1 (de) | 1973-03-22 |
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Legal Events
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