DE2352587A1

DE2352587A1 - Verstaerker mit steuerbarer verstaerkung

Info

Publication number: DE2352587A1
Application number: DE19732352587
Authority: DE
Inventors: Francois Berrod; Fernand Puverel
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-10-20
Filing date: 1973-10-19
Publication date: 1974-06-12
Also published as: FR2204333A5; DE2352587C2; SE403869B; US3942181A

Description

19.10.1973

Thomson - CSP, Paris 8, Boulevard Haussmann 173 (Frankreich)

"Verstärker mit steuerbarer Verstärkung"

Priorität vom 20. Oktober 1972 aus der französischen Patentanmeldung 72 37 263

Die Erfindung betrifft einen Verstärker mit steuerbarer · Verstärkung in gegebenenfalls integrierter Schaltung mit einem Bauelement mit veränderbarer Impedanz als Gegenkopplung zur Verstärkungssteuerung, das Bestandteil einer Steuerschaltung ist, an der eine Verstärkungssteuerspannung anliegt.

Für die mitunter auch als Regelverstärker bezeichneten Verstärker mit steuerbarer Verstärkung wird häufig gefordert, daß die Verstärkung sich nach einer ganz bestimmten Funktion ändert, die leicht reproduzierbar ist und sich über einen großen finderungsbereich erstreckt, was gleichbedeutend mit einer großen Dynamik ist. Die genau festgelegte Funktion soll oft eine lineare Änderung des Logarithmus der Verstärkung in Ab-. hängigkeit von der Verstärkungssteuerspannung sein. Selbstverständlich kann es sich aber auch" um eine andere Funktion handeln, die durch den jeweiligen Anwendungsfall bestimmt wird.

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. . Es existieren bereits eine Reihe von Lösungen für dieses Problem, die jedoch nicht befriedigend erscheinen. So ist beispielsweise eine Verstärkungssteuerung bekannt, die ein Dämpfungsglied enthält, das aus einer festen Impedanz und einem Bauelement mit veränderlicher Kennlinie wie etwa einer Diode besteht, bei der die Abhängigkeit der dynamischen Impedanz von dem sie durchfließenden Gleichstrom ausgenützt wird. Andere Schaltungen arbeiten mit Feldeffekttransistoren, bei denen die Gatespannung verändert wird. Außerdem sind Schaltungen bekannt, bei denen ein Bauelement veränderlichen Widerstandes wie etwa eine Diode verwendet wird, die als Gegenkopplung in dem betrachteten Verstärker einstellbarer Verstärkung dient.

Diese bekannten Schaltungen weisen Jedoch gewisse Nachteile auf. Insbesondere ändert sich die Verstärkungssteuerfunktion in Abhängigkeit von der Temperatur, wodurch eine gute Reproduzierbarkeit, zunichte wird. Außerdem ist die Änderung des Logarithmus der Verstärkung in Abhängigkeit vorfder Steuerspannung nicht linear und die Dynamik relativ gering, was den steuerbaren Verstärker für diese Anwendungsfälle unbrauchbar macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Verstärkungssteuerung eine große Dynamik aufweist und einem"reproduzierbaren Gesetz folgt, das gegebenenfalls in der linearen Änderung des Logarithmus in Abhängigkeit von der Steuerspannung besteht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bauelement veränderbarer Impedanz eine PIN-Diode ist.

Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine reproduzierbare und lineare Verstärkungssteuerfunktion großer Dynamik erreicht.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verstärkers nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. „ _ _ ·

In der Zeichnung ist-der Verstärker nach der Erfindung anhand beispielsweise gewählter, schematisch dargestellter Ausführungsformen veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine blockschaltbildähnliche Darstellung eines Verstärkers einst ellbarer Verstärkung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Ausführungsform des -Verstärkers mit seiner Verstärkungssteuer sehaltüng,

Fig. 3 einen Verstärker mit Steuerschaltung und weiterer Steuerschaltung für das Änderungsgesetz der Verstärkung,

Fig. k ein Blockschaltbild eines Teiles eines Monopuls-Radars,» das den Verstärker nach der Erfindung enthält,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Änderung der Verstär- · kung G des in der Schaltung nach Fig. 4 verwendeten Verstärkers in Abhängigkeit von der Steuerspannung.

Fig. 1 gibt in schematischer Form einen Verstärker oder -eine Verstärkerstufe wieder, der bzw. die ein Bauelement mit von dem hindurchfließenäen Strom abhängiger Impedanz enthält₃ das In dem Verstärker eine Gegenkopplung bildet. Der Verstärker enthält in an sich bekannter Weise einen Transistor I In Emitterschaltung. Im Kollektorzweig des Transistors 1 liegt eine Lastimpedanz 2, an der das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem an der Basis anliegenden Eingangssignal e abgenommen wird. Der Emitterzweig des Transistors 1 enthält das mit Masse verbundene Bauelement 3 veränderlicher Impedanz, das über eine Drossel 4 mit einer Stromquelle 5 verbunden ist,* die.- den Steuerstrom Ic für das Bauelement liefert.

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Das Bauelement 3 besitzt einen von dem hindurchfließenden Strom abhängigen Widerstand und ist insbesondere als PIN-Diode bekannt.

Es erscheint dennoch zweckmäßig, die wesentlichen Eigenschaften der PIN-Dioden nochmals kurz zu erläutern. Eine PIN-Diode besteht aus zwei stark dotierten Bereichen ρ und η , die durch einen schwach dotierten Bereich voneinander getrennt sind. Wenn diese Zwischenschicht relativ dick ist (in der Größenordnung von 10 bis 100 yu) stellt die Diode einen Hochspannungsgleichrichter mit geringem Gleichspannungsabfall für hohe Ströme dar, was auf die Beeinflussung der Leitfähigkeit der Zwischenschicht durch die hohe Zahl der von den angrenzenden Schichten injizierten Träger zurückzuführen ist. Für sehr hohe Frequenzen kann die PIN-Diode jedoch die Rolle eines veränderbaren Widerstandes spielen, da die Frequenzen wesentlich zu hoch sind,als daß eine Gleichrichtung stattfinden könnte, weil die Erholzeit oder Freiwerdezeit der Zwischenschicht relativ lang ist.

Für eine Vorspannung Null oder für eine Vorspannung in Sperrichtung bildet diese Zwischenschicht einen sehr hohen Widerstand. Bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung vermindert die Trägerinjektion und -speicherung diesen Widerstand in der Zwischenschicht nach der Formel R^ '»

hierin ergibt sich R in Ohm, wenn I der in Milliampere ausgedrückte Richtstrom ist.

In diesem letzteren Zustand wird die PIN-Diode im Rahmen der Erfindung verwendet, wo sie zahlreiche Vorteile mit sich bringt.

Der Umstand, daß das Bauelement mit der veränderlichen Impedanz eine Gegenkopplung herstellt, bewirkt,· daß die Dynamik der Verstärkerstufe mit einstellbarer Verstärkung mit dem Eingangssignalpegel wächst. Bei dem gegengekoppelten Verstärker

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ist der Dynamikbereich der Verstärkungsänderung einerseits durch die Impedanz der Elektrode, an der das Element veränderlicher Impedanz liegt, hier des Emitters des Transistors und andererseits durch die. parasitären Schaltungskapazitäten begrenzt .

Bei einer. PIN-Diode ist die Trägerlebensdauer sehr viel größer als die Periodendauer der an dem Verstärker anliegenden Signale. Bei Verwendung einer PIN-Diode als impedanzveränderliches Element erhält man somit eine vollständige Trennung zwischen dem dynamischen Verhalten und dem statischen Verhalten der Diode, d.h. zwischen der dynamischen Impedanz der Diode und ihrer Niederfrequenzimpedanz. Die Trägerlebensdauer liegt in der Größenordnung von 1,3 Mikrosekunden, woraus sich eine untere Grenze in der Größenordnung von einigen Megahertz hinsichtlich der Frequenz ergibt, bei der die Diode als veränderlicher Widerstand arbeitet. Außerdem ist die Frequenz des Steuerstromes der Diode nach oben begrenzt. Dies gestattet eine Verstärkung mit sehr geringer Verzerrung, da der zulässige dynamische Strom unabhängig von dem Steuerstrom wird.

Außerdem bewirkt die gleichzeitige Anordnung dieser PIN-Diode als Gegenkopplung für die Stromquelle 5, daß der die Diode durchfließende Strom nur von der Eingangsspannung der Stromquelle abhängt, was die Verstärkungssteuerung des" gesteuerten Verstärkers im Sinne einer besseren Ausnutzung der großen Dynamik der Steuerung verbessert.

Fig. 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des Verstärkers mit steuerbarer Verstärkung, der hierbei eine Differenzschaltung enthält. Der Verstärker ist aus einer integrierten Schaltung aufgebaut und umfaßt zwei Transistoren J und 8, die beide in Emitterschaltung liegen. Das Element mit von dem hindurchfließenden Strom abhängigen Widerstand oder die PIN-Diode 9 ist über Kondensatoren 10 und 11 zwischen

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die Emitter der Transistoren 7 t*nd 8 geschaltet. Jeder Emitter 1st außerdem über eine Drossel und einen Entkopplungskondensäor mit Masse verbunden. Die in dieser Verstärkerstufe verarbeiteten Signale liegen an der Basis des Transistors 7 an; die Ausgangssignale der Verstärkerstufe werden am Kollektor des Transistors 8 an den Klemmen der Last Z abgenommen. Die PIN-Diode 9» die als Gegenkopplung zwischen den Emittern der Verstärkertransistoren liegt, ist gleichzeitig Bestandteil einer Gegenkopplungsschaltung der Verstärkungssteuerschaltung 12 für den Verstärker.

Diese Steuerschaltung besteht vorteilhaft aus einem Operationsverstärker 12, der die an ihm anliegende Eingangsspannung j Vs in einen Steuerstrom Ic umformt, der direkt auf die PIN-Diode 9 einwirkt.

Die soeben beschriebene Schaltung, die als gesteuerten Ver- j stärker einen Differenzverstärker verwendet, besitzt gegenüber einem einfachen Verstärker gemäß Fig. 1 den Vorteil einer noch größeren Dynamik des von dem Verstärker verarbeiteten Signales.

Die am Eingang des Verstärkers, dih. an der Basis des Transistors 7 zulässige Signalampllfcude,wird mit wachsender Impedanz der Diode 9» d.h. mit abnehmender Verstärkung, größer. Die auf diese Weise mögliche Verstärkungsänderung beeinflußt die durch die Lastimpedanz bestimmte Durchlaßkennliriie der Verstärkerstufe nicht, da die Lastimpedanz durch den Transistor 7 von der PIN-Diode 9 entkoppelt ist. Wie bereits erwähnt, ist die Verstärkungsänderung unabhängig von allen aktiven Bauelementen außer der PIN-Diode 9, da die Verstärkung-der Stufe durch das Verhältnis zwischen dem im Kollektorkreis des Transistors 8 liegenden Lastwiderstand und dem dynamischen Widerstand der PIN-Diode bestimmt ist.

Noch bessere Eigenschaften des gesteuerten Verstärkers können durch Verbesserung der Güte der Steuerspannung,die am

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Eingang des Operationsverstärkers 12 anliegt, welcher direkt den durch die PIN-Diode hindurchfließenden Strom Ic steuert> erzielt werden. .

Es wurde einleitend bereits auf die grundsätzlichen Eigenschaften hingewiesen, die die Verstärkungssteuerung eines Verstärkers steuerbarer Verstärkung aufweisen soll. Hierbei wurde genannt, daß die Änderung des Logarithmus der Verstärkung eine lineare Abhängigkeit von der Steuerspannung besitzen soll.

Dieser Bedingung wird dadurch genügt, daß zwischen dem Punkt 13 (Fig. 3), an dem die Steuerspannung Vc für die Verstärkungssteuerung zugeführt wird, und dem Operationsverstärker 12, der direkt auf das Element veränderlichen Widerstandes wirkt _Λ ein Verstärker mit exponentiellem übertragungsverhalten eingefügt wird. Fig. 3 zeigt eine vollständige Verstärkungssteμerschaltung für einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung » nach Fig. 2. Die Steuerspannung Vc bei 13 wird einem Exponentialverstärker 14 über eine Schaltung 15 zugeführt, die einen Transistor 16 zwischen dem negativen Eingang, und dem Ausgang eines Operationsverstärkers 17 enthält. Dieser bekannte Verstärker braucht ebenso-wenig wie der Operationaverstärker 12 im einzelnen beschrieben zu werden. Die Schaltung 15 bewirkt eine Kompensation der temperaturabhängigen Schwankung der Basis/Emitter-Spannung des Transistors 16. Der Strom durch den Transistor 18, dessen Kollektor mit dem Operationsverstärker 19' verbunden ist, ändert sich folglich exponentiell mit der Basis/Emitter-Spannung des Transistors 18. Auf diese Weise ist die am Eingang des mit dem Operationsverstärker 12 verbundenen Widerstandes auftretende Spannung Vs eine Exponentialfunktion der Spannung Vc und der die PIN-Diode 9 durchfließende Strom Ic₉ der gleich dem Verhältnis der Werte Vs und Rd des Widerstandes 20 ist, ändert sich exponentiell mit der Spannung Vc und führt damit seinerseits zu einer linearen Abhängig-' keit· des Logarithmus der Verstärkung von der St euer spannung Vc.

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Im beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die die Verstärkung steuernde PIN-Diode als Gegenkopplung im Emitterzweig. Die gleichen vorteilhaften Eigenschaften ergeben sich jedoch auch, wenn diese Diode als Gegenkopplung im Kollektorzweig angeordnet wird. Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Art, in der die PIN-Dionde gesteuert wird; insbesondere kann diese Diode im Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers liegen und es kann die Eingangsspannung dieses eine Verstärkungssteuerschaltung für den Verstärker bildenden Operationsverstärkers durch einen Verstärker gesteuert werden, der ein bestimmtes, hier exponentielles übertragungsverhalten besitzt und an dem die Verstärkungssteuerspannung für den Verstärker mit steuerbarer Verstärkung anliegt.

Der Verstärker mit steuerbarer Verstärkung nach der Erfindung ist für zahlreiche Anwendungen geeignet, insbesondere in allen steuerbaren Verstärkern, in einem Frequenzbereich zwischen 1 MHz und 1- GHz, und zwar sowohl für den Betrieb in geschlossener Schleife, der eine automatische Verstärkungsregelung darstellt, wie auch beispielsweise in offener Schleife mit einer zeitveränderlichen Verstärkung. Ein besonders interessanter Anwendungsfall betrifft die automatische Verstärkungsregelung der Summen- ynd Differenzkanäle eines Monopuls-Radarempfängers zur Amplitudenauswertung, bei dem die Güte der mittels dieses Radars durchgeführten Ablagemessung in erster Linie von der völligen Übereinstimmung der Verstärkung der drei Verstärker über den gesamten Verstärkungsregelbereich abhängt.

Fig. 4 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Verstärkungsregelschleife für einen der Kanäle, der zwei geregelte Verstärkerstufen umfaßt.

Der betrachtete Kanal, der der Summenkanal eines Monopuls-Radars sein kann, umfaßt zwei Regelverstärker 23 und 24, ge-

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folgt von einem-Verstärker 25, der das Ausgangssignal dieses Kanals liefert. Dieses Ausgangssignal wird der Verstärkungsregelschleife der Verstärker 23 und 24 über einen Verstärker 26 zugeführt-_a. der eine Gleichrichterstufe 27 speist, deren Ausgangssignal über eine die Durchlaßbandbreite der Regelung bestimmende Filter- oder sonstige Zeitkonstantenschaltung einem SchwellwertVerstärker 28 zugeführt wird. Der Schwellwertverstärker 28 ist mit dem Verstärker 14 mit expontiellem übertragungsverhalten verbunden, der seinerseits mit Stromquellen 12 und 120 verbunden ist, d.h. mit Operationsverstärkern, die die (hier nicht dargestellten) PIlJ-Dioden steuern, welche in der Gegenkopplung der geregelten Verstärker 23 und 24 liegen. Gleichartige Stromquellen steuern die Regelverstärker-der anderen- Kanäle, die im angenommenen Beispiel die Differenzkanäle sind.

Fig. 5 zeigt in Diagrammform das Beispiel des Dämpfungs-' Verhaltens bzw. der Dämpfungs funkt ion de^;s in Fig. 4 dargestellten Kanales in Abhängigkeit von der Verstärkungsregelung. Beispielsweise kann bei geschlossener Schleife der Pegel 10 dB bis 65 dB/mW bei CW-Betrieb geregelt werden oder mit Impulsen in der Größenordnung von 0,25 Mikrosekunden.

Vorstehend wurde ein Verstärker mit veränderlicher, durch eine eine Gegenkopplung bildende PIN-Diode gesteuerter Verstärkung beschrieben. Weiterhin würde gezeigt, daß zur Anpassung des Verstärkers an eine automatische Verstärkungsregelung ein Verstärker mit exponentiellem übertragungsverhalten verwendet werden kann, um eine lineare Änderung des Logarithmus der Verstärkung in Abhängigkeit von der Steuerspannung zu erzielen. Unter Berücksichtigung der guten Linearität der Änderung der Impedanz der PIN-Diode in Abhängigkeit von dem durch sie hindurchfließenden Strom können je nach Anwendungsfall auch andere Funktionen für die Verstärkungssteuerung herangezogen werden. Insbesondere ist eine Verwendung der

- 10 ^L 76 ~ ~~ "

Punktion' ^- ruöglieh_s wen der Verstärker beispielsweise

einem Simulator zugeordnet ist.

Claims

' , * ._1;.., i ι 19.10.1973

MBi.:..*·-' i-*Vor&b.81 7662-IV/He.

Thomson - CSF, Paris 8, Boulevard Haussmann 173 (Frankreich)

Patentansprüche:

Verstärker mit steuerbarer Verstärkung in gegebenenfalls integrierter Schaltung mit einem Bauelement mit veränderbarer Impedanz als Gegenkopplung zur Verstärkungssteuerung, das Bestandteil einer Steuerschaltung ist, an der eine Verstärkungssteuerspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet , daß das Bauelement (3) veränderbarer Impedanz eine ! PIN-Diode ist.
2. Verstärker nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet-, daß die Steuerschaltung für den Strom durch die PIN-Diode ein Operationsverstärker (12) ist, in dem die PIN-Diode als Gegenkopplung liegt.
3. Verstärker nach Anspruch 1 und 2₉ dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Steuerschaltung mit einer.der Verstärkungssteuerfunktion entsprechenden übertragungsfunktion vorgesehen ist, die die Verstärkungssteuerspannung des Verstärkers steuerbarer Verstärkung erhält und mit der Steuerschal-

• tung für die PIN-Diode verbunden ist.
4. Verstärker nach Anspruch 3₃dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Steuerschaltung (14) ein Verstärker mit exponentieller übertragungsfunktion ist, der eine lineare Änderung des Logarithmus der Verstärkung in Abhängigkeit von der Steuerspannung (Vc) herbeiführt.

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5. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

die weitere Steuerschaltung eine Spannung 5— erzeugt.

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