DE2145913C3

DE2145913C3 - Schaltung zum Begrenzen elektrischer Schwingungen

Info

Publication number: DE2145913C3
Application number: DE19712145913
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Ing. 8000 München Fuchs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-09-14
Publication date: 1977-09-15

Description

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Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltung zum Begrenzen von Eingangsspannungen mit einem Operationsverstärker, der zwei Eingänge aufweist und als Differenzverstärker arbeitet.

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 Harmonischer! 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 günstigsten bezüglich Aufwand und Raumbedarf mit integrierten Operationsverstärkern erreichen. 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 positiver und 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 symmeirisch, 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 Spannungsbegrenzerschaltung 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 Halbleiterschaltkreises 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 der 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 Schwellwertstufen oder Emitterfolgerschalter sind nicht erforderlich.

Der Begrenzerverstärker erfordert einen geringen Aufwand, und die Verstärkung ist auf einfache vVeise im ι ο linearen Bereich einstellbar. Bei größerer Aussteuerung wird die Ausgangsspannung auf feste positiv und negativ vorgegebene Werte begrenzt, se daß der Operationsverstärker im linearen Bereich arbeitet. Die Symmetrie de:, 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 der 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 Vl einen nichtinvertierenden Eingang ( + ), an dem die Eingangsspannung i/o gegen den Bezugspunkt (0 V) anliegt. Der invertierende Eingang (-) des Opentionsverstärkers liegt über Jen Widerstand Ri an Erde. Mit dem Widerstand Ri 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 Ti und 72 eingeordnet, die mit dien beiden Spannungen + U_v und - U_v vorgespannt sind, so daß im Ruhezustand beide Transistoren gesperrt sind. Ist die Aasgangsspannung des Operationsverstärkers Vl kleiner als die Vorspannung Uv der Transistoren Ti und 72, 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 Lh.

In Abhängigkeit von der Eingangsspannung LZ₀ besitzt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung drei Arbeitsbereiche. Der eine Arbeitsbereich herrscht dann, wenn die Ausgangsspannung Ui 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:

Rl

Mit dem WiderstandsnetzwerK Ri 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:

LO- v<Uv+Ube;

Die am Eingang anliegende Eingangsspannung LO tritt am Ausgang des Operationsverstärkers verstärkt auf und ist kleiner als die Vorspannung U₁ und die Durchlaßspannung U_Be der Basis-Emitter-Diode der Transistoren. Die beiden Transistoren sind gesperri, wobei am Transistor 71 eine positive Sperrspannung + Uv und am Transistor 72 eine negative Sperrspannung — Uy 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 7' 1 und 72. Es gilt dann folgende Beziehung:

U_o>

Übe

Wenn der positive Wert der verstärkten Eingangsspannung den positiven Wert von U_v+ Übe überschreitet, arbeitet der Transistor Ti als linearer Verstärker. Durch die zusätzliche Gegenkopplung über den Transistor 71 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 U_v+ Übe überschreitet, arbeitet der Transistor T2, 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 Ui = ίΛ+ Übe- Daraus ist zu ersehen, daß die Ausgangsspannung (Λ unabhängig von der Eingangsspannung LO ist und die Schaltung als Begrenzerwirkt.

Im dritten Arbeitsbereich ist bereits die Eingangsspannung LO größer als die Sperrspannung an den Transistoren, und zwar:

Ub>Uv+Ube

In diesem Zustand ist im positiven Bereich der Eingangsspannung LO der Transistor Tl und im negativen Bereich der Eingangsspannung der Transistor 72 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 = i/o. 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 F i g. 1 aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß über den Kondensator Cl als Eingangssignal nur Wechselspannungssignale zugeführt werden können. Mit dem Widerstand /?3 wird der Eingangswiderstand festgelegt. Die Sperrspannungen für die beiden Transistoren ι ο Tl und T2 werden über den Spannungsteiler R 4, R 5 und R 6 von der Betriebsspannung +12 V und -12 V abgeleitet. Durch die Parallelschaltung von spannungsbegrenzenden 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

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Begrenzen elektrischer Schwingungen mit einem Operationsverstärker, der zwei Eingänge aufweist und als Differenzverstärker arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das zu begrenzende Signal am nichtinvertierenden Eingang ( + ) des Operationsverstärkers (VI) anliegt, daß der invertierende Eingang ( —) über einen ersten Widerstand (R 1) mit dem Bezugspunkt (0 V) des Eingangssignals und über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist, daß zwei in Sperrichtung vorgespannte komplementäre Transistoren (T\, 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 !,dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler (R 4, R 5, 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 parallel zu den Spannungsteilerwiderständen spannungsbegrenzende Schaltmittel angeordnet sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (R 1) über einen Kondensator (C2) am Bezugspunkt (OV) anliegt.