DE2352587C2

DE2352587C2 - Verstärker mit steuerbarer Verstärkung

Info

Publication number: DE2352587C2
Application number: DE2352587A
Authority: DE
Inventors: Francois Palaiseau Berrod; Fernand Longjumeneau Puverel
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-10-20
Filing date: 1973-10-19
Publication date: 1982-11-11
Also published as: FR2204333A5; DE2352587A1; US3942181A; SE403869B

Description

Die Erfindung betrifft einen ^'srstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Verstärker ist -us »IBM Technical Disclosure Bulletin«, Vol. 6, No. 3, August 1963, Seite 70, insofern bekannt, als der dort gezeigte Regelverstärker sich durch Auftrennen der Regelschleife auch als Verstärker mit steuerbarer Verstärkung einsetzen läßt. Hierbei wird allerdings als Bauelement veränderbarer Impedanz im Gegenkopplungszweig des Verstärkers ein bipolarer Transistor verwendet was den Nachteil hat, daß die Verstärkungssteuerung entsprechend der bekannten Temperaturabhängigkeit von bipolaren Transistoren ebenfalls verhältnismäßig stark temperaturabhängig ist, nichtlinear von der Steuerspannung an der Basis dieses Transistors hängt und die erzielbare Dynamik verhältnismäßig gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verstärker der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung zu schaffen, dessen Versta -kungssteuerung eine große Dynamik aufweist und linear abhängig von der die Impedanz des Bauelementes mit veränderbarer Impedanz bestimmenden Spannung ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegeben. Sie beruht zum einen darauf, daß als Bauelement veränderbarer Impedanz eine PIN-Diode verwendet wird, zum anderen darauf, daß diese PIN-Diode in einem Gegenkopplungszweig liegt, der wechselspannungsmäßig zu dem gesteuerten Verstärker gehört, gleichspannungsmißig jedoch zu der Steuerschaltung für die Impedanz der PIN-Diode gehört.

Zwar ist aus »The Bell System Technical Journal«, Juli-August 1969, Seite 1666, die Verwendung einer PIN-Diode als veränderbare Impedanz bekannt, jedoch nicht im Zusammenwirken mit irgendeinem aktiven Bauelement, sondern als eine selbstständige Stufe, nämlich als elektrisch einstellbares Dämpfungsglied, das grundsätzlich vor oder nach jeder geeigneten Verstärkerstufe angeordnet werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbilduns gen 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

ίο Es zeigt

F i g. 1 eine blockschaltbildähnliche Darstellung eines Verstärkers einstellbarer Verstärkung nach der Erfindung,

Fig.2 eine Ausführungsform des Verstärkers mit

ι > seiner Verstärkungssteuerschaltung,

Fig.3 einen Verstärker mit Steuerschaltung und weiterer Steuerschaltung für das Änderungsgesetz der Verstärkung, F i g. 4 ein Blockschaltbild eines Teiles eines Mono puls-Radars, das den Verstärker nach der Erfindung enthält

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Änderung der Verstärkung G des in der Schaltung nach Fig.4 verwendeten Verstärkers in Abhängigkeit von der

Steuerspannung.

F i g. 1 gibt in schematischer Form einen Verstärker oder eine Verstärkerstufe wieder, der bzw. die ein Bauelement mit von dem hindurchfließenden Strom abhängiger Impedanz enthält das in dem Verstärker

jo eine Gegenkopplung bildet Der Verstärker enthält in an sich bekannter Weise einen Transistor 1 in Emitterschaltung. Im Kollektorzweig des Transistors 1 liegt eine Lastimpedanz 2, an der das Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem an der Basis anliegenden

J5 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 oie den Steuerstrom Ic für das Bauelement liefert.

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

Es erscheint dennoch zweckmäßig, die wesentlichen Eigenschaften der PI N-Dioden nochmals kurz zu erläutern. Eine PIN-Diode besteht aus zwei stark dotierten Bereichen p⁺ und η⁺, die durch einen schwach dotierten Bereich voneinander getrennt sind. Wenn diese Zwischenschicht relativ dick ist (in der Größenordnung von 10 bis 100 μ) stellt die Diode einen

ίο 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

20 bis 50 0,87 · /

iierin ergibt sich R in Ohm, wenn / der in Milliampere jusgedrückte 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 ist der Dynamikbe- ι ο reich 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 Niederfrequenziffipedanz. Die Trägerlebensdauer liegt in der Größenordnung von 13 Mikrose^unden, 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 wirkt

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

F i g. 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des Verstärkers mit steuerbarer Verstärkung, der hierbei eine D.rferenzschaltung enthält Der Verstärker ist aus einer integrierten Schaltung aufgebaut und umfaßt zwei Transistoren 7 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 die Emitter der Transistoren 7 und 8 geschaltet Jeder Emitter ist außerdem über eine Drossel und einen Entkopplrngskondensator mit Misse ~m 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 Vs in einen Steuerstrom Ic umformt, der direkt auf die PIN-Diode 9 einwirkt

Die soeben beschriebene Schaltung, die als gesteuerten Verstärker einen Differenzverstärker verwendet, t>5 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, d. h. an der Basis des Transistors 7 zulässige Signalamplitude, 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 Durchlaßkennlinie 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 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 hingewisen, die die Vfrtärkungssteuerung 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, ein Verstärker mit exponentiellem Übertragungsverhalten eingefügt wird. F i g. 3 zeigt eine vollständige Verstärkungssteuerschaltung für einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung nach F i g. 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 Operationsverstärker 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 Ic, der gleich dem Verhältnis der Werte Vs und Rddes Widerstandes 20 ist, ändert sich exponentiell mit der Spannung Vc und führt damit seinerseits zu einer linearen Abhängigkeit des Logarithmus der Verstärkung von der Steuerspannung Vc

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt die Ute 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-Diode gesteuert wird; insbesondere kann diese Diode im Gegenkopplungszweig eines Opf.raiionsverstärkers liegen und es kann die Eingangsspannung dieses eine Verstärkungssteuerschaltung für den Verstärker bildenden Operationsverstärkers durch einen Verstärker gesteuert werden, der ein bestimmtes, hier

exponentiell 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- und 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.

F i 2.4 2?i^at schemstisch ein Blockschaltbild

mit expontiellem Übertragungsverhalten verbunden, der seinerseits mit Stromquellen 12 und 120 verbunden ist, d. h. mit Operationsverstärkern, die die (hier nicht dargestellten) PIN-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 Dämpfungsverhaltens b/.w. der Dämpfungsfunktion des in F i g. 4 dargestellten Kanales in Abhängigkeit von der Verstärkungsregelung. Beispielsweise kann bei geschlossener Schleife der Pegel 1OdB 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 wurde gezeigt, daß zur Anpassung des Verstärkers an eine

-t) aiitnma tisrhp VnrstärliiinpsrptrrhintT pin Verstärker mit

Vcrstärkungsregelschleife 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, gefolgt von einem Verstärker 25, der das Ausgangssignal dieses Kanals liefert. Dieses Ausgangssignal wird der Verstärkungsregelschleife der Verstärker 23 und 24 übei einen Verstärker 26 zugeführt, 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 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 v.^rden. Insbesondere ist eine Verwendung der Funktion .üiL£. möglich, wenn der Verstärker bei-

.v²
spielsweise einem Simulator zugeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 und daß die Steuerschaltung für den die Impedanz der PIN-Diode bestimmenden Strom ein Operationsverstärker (12) ist, in dem die PIN-Diode als Gegenkopplung liegt

2. Verstärker nach Anspruch 1, 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 Steuerschaltung für die PIN-Diode verbunden ist.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Steuerschaltung (14) ein Verstärker mit exponentiell Übertragungsfunktion ist, der eine lineare Änderung des Logarithmus der Verstärkung in Abhängigkeit von der Steuerspannung (Vc) herbeiführt