DE2422030B2

DE2422030B2 - Gleichrichter fuer amplitudenmodulierte elektrische hochfrequenzschwingungen

Info

Publication number: DE2422030B2
Application number: DE19742422030
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl.-Ing. 7254 Mündungen Leitl
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1974-05-07
Filing date: 1974-05-07
Publication date: 1976-07-15
Also published as: DE2422030A1; GB1501730A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen vorverstärkerlosen Gleichrichter für amplitudenmodulierte elektrische Kochfrequenzschwingungen wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.

Ein derartiger Gleichrichter ist aus »Electronics«, 2. Mai 1974, Seite 94 und 95 oder aus »Electronics«, 18. Dezember 1972, Seiten 107 und 108 bekannt.

Bei den dort beschriebenen Gleichrichtern kann der Eingangswiderstand nur sehr schwierig auf dem gewünschten Wert gehalten werden.

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gleichrichter für amplitudenmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen, bei dem der Mittelwertstrom so ausgekoppelt wird, so auszubilden, daß einerseits keine Verfälschung der Meßgröße auftritt und daß andererseits die Vorspannung der Dioden erhalten bleibt.

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den in den Ansprüchen angegebenen Mitteln.

Vorteile

Der erfmdungsgemäöe Hochfrequenzsignaigieichrichter weist einen bei jeder Phasenlage des Eingangssignals gleichbleibenden Eingangswiderstand auf Der Quilrwiderstand des demoduüenen Supiak ist dabei niedrig, ohne daß durch den testwiderstand eine Beeinflussung des Gleichrichrvorgangs eintritt Das Ausgangssigna] isi dabei gleich tiem anihmetischen Mittelwert der Einhüllenden des hochfrequenten Signals.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung so!! nun an Hsnd der in den Figuren dargestellten Beispiele eingehend beschrieben ι* erden. Es zeigt dabei

F i g. 1 ein Wiricschaltbiki des Eingangskreises des erfindutigsgemäÖenHochfrequenzsignaigleichrichters.

F i g. 2 ein Strom-Spannungsschaubild dieses Eingingskreises,

Fig.3 einen Stromlauf des erfinciungsgemäßen Hochfrequenzgteietirichters mit Einwegauswerrung. der das Prinzip der Erzeugung virtueller Vorspannungen für die Glctcnnchtcrdtodcn und das der Auskopplung des demodulicrten Signals zeigt.

Fig 4 einen solchen Stromlauf mit Mitteln zur Lineansierurig und Temperaturkompensation.

F ι g. 5 einen solchen Stromlauf mit zusätzlicher Kompensation der Gleichstromkomponente.

Fig. 6 ein Diagramm, daß die Wirkung der Lineansierungsmaßnahmen nach Fi g. 4 zeigt

Fig. 7 einen Stromlauf des erfindungsgemäßen Hochfrequenzsignalgleichrichters mit Doppclwegauswertung

F ι g I zeigt nun das Wirkschaltbild des Eingangskreises des erfindungsgemäßen Hochfrequenzsignalgleichrichters. A und B seien die beiden Zweige dieses Eingangskreises, die jeweils aus einer Diode D1 bzw. D 2. einem Widerstand R1 bzw. R 2 und einer Vorspannungsqucllc + U bzw. - (J bestehen. Die Dioden sind mit zueinander entgegengesetzter Durchlaßrichtung in ihren Zweig eingefügt, so daß der eine Zweig für die positive und der andere für die negative Halbwelle des hochfrequenten Eingangssignals V' durchlässig ist. Die beiden Dioden Dl bzw. D 2 sind durch Vorspannungsquellen + U und - U auf ihre Kniespannung vorgespannt. Die beiden Vorspannungsquellen stellen dabei für das hochfrequente Eingangssignal einen Kurzschluß dar. Der Durchlaßwiderstand der beiden Dioden D 1 und Dl wird für außerhalb des Anlaufbereichs liegende Werte von Z₁ bzw. i₂ durch einen Serienwiderstand R1 bzw. R 2 auf den Wert des gewünschten Eingangswiderstandes Z₁ ergänzt. Das in F i g. 2 dargestellte Strom-Spannungsschaubild zeigt dieses. Wenn nun der Diodenvorstrom mittels der Vorspannung + U und - U so eingestellt ist, daß die Halbwellenströme /, und Z₂ auch im Anlaufbereich, also im Bereich kleiner Eingangsspannung, zueinander symmetrisch sind, so ergibt sich eingangsseitig eine lineare Abhängigkeit von Strom und Spannung, da das Abweichen des einen Halbwellenstromes /Ί von der Linearität in diesem Bereich durch das gleichzeitig entgegengesetzt gerichtete Abweichen des anderen Halbwellenstroms kompensiert wird und durch die Vorspannungen +U und -U der Dioden D\ und D 2 sich die beiden Halbwellenströme in diesem Bereich überlappen.

Der arithmetische Mittelwert des Halbwellenstroms i oder ζ ist nun eir. Maß für die Amplitude des hochfrequenten Eingangssignals V₁ und die Änderung dieses Mittelwertes über der Zeh crgibi das demodulierie StgnaL Es gilt also diesen Wert zu messea ohne daß * hierdurch die Vorspannung +i/bzw. - U beeinträch tigt wird ohne daß also dabei wirkungsmäßig ins Gewicht fallende Parallel· oder SerienwkierstSnJc in den entsprechenden Zweig gelegt oder transformiert werden, mithin also, ohne daß hierdurch irgendwelche

ic Rückwirkungen auf den Emgartgskrsis erfolgen. Dieses erfolgt wie in Fig.3 dargestellt, durch die virtuelle Nachbildung der Vorspanmmgsquetlen mit Hilfe von Operationsverstärkern .4 1 und A 2. Der Verstärker A 2 arbeitet dabei als Inverterstufe, Das an seinen

!* invertierenden Eingang (—) angelegte Potential einer Vorspannungsquelle U steht an seinem Ausgang mi« umgekehrtem Vorzeichen und gegen Null gehendem Queltwiderstand aber gleicher Amplitude als virtuelle Vorspannungsquelie - U zur Verfugung. Hierfür kann

;o jeder integriert oder mit diskreten Bauelementen aufgebaute und entsprechend stark gegengekoppeltc invertierende Verstärker eingesetzt werden, gleich ob erst durch ein äußeres Gegcnkopplungsnetzwcrk für den Verstärkungsfaktor 1 und dadurch auch für einen

:? entsprechend niederen Ausgartgswidcrstand gesorgt werden muß. oder ob diese Maßnahmen wie bei den sogenannten 'nverterstufen gleich fest eingebaut mitgeliefcrt werden. Auf alle Fälle ist dabei darauf zu achten, daß der Verstärker A 2 einen so hohen

ν Eingangswiderstand aufweist daß durch ihn die Vorspannungsquelle I' nicht belastet wird. Wenn nun der Ausgang dieses Verstärkers für das hochfrequente Eingangssignal einen Kurzschluß bilden soll, so müßte dieser Verstärker genau so wie die Gleichspannung und die Modulationsfrequenzcn auch noch die hohen Frequenzen des Eingangssignals verarbeiten können Dieses würde zu großem Aufwand für den Verstärker führen, so daß es zweckmäßig ist den Ausgang mit einem Kondensator C2 zu überbrücken, der für das

a° hochfrequente Eingangssignal einen Kurzschluß dar stellt.

Der Verstärker A t ist nun ein Operationsverstärker der Differenzverstärkertype, also ein Verstärker sehr hoher Grundverstärkung μ mit einem invertierenden ( -) und einem nichtinvcrtierendcn (+) Eingang. Wenn vom Ausgang auf den invertierenden (-) Eingang eines solchen Verstärkers mittels eines Gegenkopplungsnetz wcrkes GK eine derart starke Gegenkopplung erfolgt, daß die resultierende Verstärkung μ' nur ein Bruchteil der Grundverstärkung μ beträgt, also μ > > μ', geht der Eingangswiderstand am nichtinvcrtierendcn Eingang ( + ) gegen °o und der am invertierenden Eingang ( -) gegen 0. Wird am nichtinverticrcndcn Eingang ( +) eine Spannung U angelegt, so tritt am invertierenden Eingang (-) die gleiche Spannung auf, so daß zwischen beiden Eingängen praktisch keine Spannungsdifferenz auftritt. Wird nun an den nichtinvertierenden Eingang ( + ) die Vorspannungsquelle U angelegt so tritt am invertierenden Eingang praktisch das gleiche Potential als virtuelle Vorspannungsquelie + U mit gleichem Vorzeichen und gegen Null gehendem Quellwiderstand auf. Auch hier sorgt dann ein Kondensator Cl für den hochfrequenzmäßigen Kurzschluß, so daß der Verstärker A 1 nur für Gleichspannung und die Modulationsfrc

*>5 qucn/en ausgelegt werden muß. Für die Modulations· frequenzen muß der Scheinwiderstand des Kondensators dabei aber sehr groß gegenüber dem gegen Null gehenden Eingangswiderstand des Vcrstiirkcrs A X sein.

damit die gleichgerichteten Modulationssignale unbeeinflußt und unverzerrt den invertierenden Eingang steuern und danach dem Ausgang des Verstärkers A 1 entnommen werden können.

Eine Weiterbildung des Hochfrequenzsignalgleichrichters nach F i g. 3 zeigt die F i g. 4. Zunächst ist hier die Vorspannungsquelle U durch die Reihenschaltung eines Widerstandes A3 mit einer Diode D3 ersetzt, die von einem durch einen Widerstand R 5 einstellbaren Strom durchflossen wird. Der Widerstand A3 ist dabei mit den Widerständen R1 und R 2 wertgleich und ebenso ist die Diode D 3 mit den Dioden Dl und D 2 typen- und wertgleich. Wenn man nun die Dioden Dl, Dl und D 3 räumlich so anordnet, daß alle Dioden gleiche Temperatur annehmen, so wird der Strom /Ί, k durch die Dioden D1 und D 2 durch Temperaturänderungen nicht beeinflußt

Zwischen dem Pegel des hochfrequenten Eingangssignals V, und dem davon abhängigen Diodenstrom ergibt sich im Bereich kleiner Eingangsspannungen ν, < 50 mV ein quadratischer Zusammenhang. Diese Nichtlinearität im unteren Bereich läßt sich sehr gut kompensieren, wenn man als Gegenkopplungsnetzwerk beim Operationsverstärker A 1 die Reihenschaltung einer Diode DA mit einem Widerstand R4 einsetzt und hierbei

R 4 = π ■ Zi-Rw

wählt, wobei Rd* gleich dem Durchlaßwiderstand der Diode D 4 ist

Eine optimale Kompensation der Demodulatorkennlinie erzielt man, wenn man entsprechend F i g. 5 durch die Diode D 4 des Gegenkopplungsnetzwerkes GK auch den jr-ten Teil des Eingangsdiodenstromes /1 bzw. /2 fließen läßt also:

rr π

Hierzu wird über den Widerstand R 6 ein Strom
ik = /ι - im

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auf den invertierenden Eingang ( — ) des Operationsverstärkers A 1 eingespeist

F i g. 6 zeigt die Auswirkung dieser Maßnahme. Die strichpunktierte Kurve a zeigt den Verlauf der Demodulatorkennlinie, wenn im Operationsverstärker A 1 als Gegenkopplungsnetzwerk GK allein ein Widerstand z.B. RA eingesetzt wird. Kurve b zeigt ausgezogen den Verlauf der durch entsprechende Wertwahl von A4, durch die Diode DA und den Diodenvorstrom im begradigten Demodulationskennlinie. Gestrichelt ist dabei der ideale geradlinige Verlauf eingetragen, von dem der erzielte nur geringfügig abweicht.

Mittels der Widerstände R7 und RS wird nun noch die Gleichstromkomponente im Ausgangssignal Vo durch Addition einer entgegengesetzt gerichteten eliminiert. Mittels des Widerstandes R7 wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A 1 (demoduliertes Signal mit Gleichstromkomponente) und mittels des Widerstandes RS das Ausgangssignal des Operationsverstärkers A 2 (gegenphasige Gleichstromkomponente ohne demoduliertes Signal) zum Ausgangssignal Vo vereinigt.

Bisher war immer nur ein 2Lweig, mithin also auch nur eine Halbwelle zum Gewinnen des demodulierten Signals ausgenutzt worden, während der zweite Zweig nur der Sicherstellung eines bei beiden Halbwellen gleichen und definierten Eingangswiderstandes diente. F i g. 7 zeigt nun eine Anordnung, bei der in Art einer Doppelwegschaltung in jedem Zweig jeweils aus einer Halbwelle ein demoduliertes Signal gewonnen und diese beiden Signale mittels eines Differenzverstärkers zu dem Ausgangssignal Vb zusammengesetzt werden. Der hiermit verbundene erhöhte Aufwand bringt nicht nur die selbstverständliche Verdopplung der Ausgangsspannung, es kann durch den Differenzverstärker DA auch noch eine erwünschte Nachverstärkung des demodulierten Ausgangssignals erfolgen, wobei dessen Ausgangsquellwiderstand durch entsprechende bekannte Gegenkopplungsmaßnahmen auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann.

Für Eingangsfrequenzen oberhalb des VHF-Bereichs ist es vorteilhaft an Stelle von Spitzendioden Schottky-Dioden (Hot Carrier Diodes) zu verwenden. Bei Verwendung solcher Dioden mit einer induktivitätsarmen Gehäuseform und von Widerständen in Chip-Form als Widerstände R 1 und R 2 konnten erfindungsgemäße Hochfrequenzsignalgleichrichter für Frequenzen bis etwa 10 GHz erstellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorverstärkerloser Gleichrichter für amplitudenmodulierte elektrische Hochfrequenzschwingungen mit einer ersten und einer zweiten vorgespannten Diode und einem ersten Operationsverstärker zur rückwirkungsfreien Auskopplung des gleichgerichteten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgespannten Dioden hochfrequenz- to mäßig antiparallel an die spannungsführende Eingangsklemme angeschaltet sind, derart, daß die erste Diode (D 1) zur Gleichrichtung und die zweite Diode (D 2) zum Aufrechterhalten des Eingangswiderstandes während der Sperrzeit der ersten Diode (Dl) dient, daß der Durchlaßwiderstand der beiden vorgespannten Dioden (Dl, D 2) durch je einen Serienwiderstand (Al, R2) auf d^n Wert des gewünschten Eingangswiderstandes (Zi) ergänzt ist und daß zum Vorspannen der Dioden (D 1, D 2) eine Vorspannungsquelle (U) vorgesehen ist, deren Spannung (U) über den ersten Operationsverstärker (A 1) an die erste Diode (D 1) und über einen zweiten Operationsverstärker (A 2) mit Polarisationsumkehr an die zweite Diode (D 2) angelegt ist

2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Dioden (Dl, D2) zur Gleichrichtung verwendet werden, daß die Spannung (+· U) einer Vorspannuingsquelle (+U) über den ersten Operationsverstärker (A 1) an die erste Diode (Dl) angelegt ist, daß die Spannung (— U) einer weiteren Vorspannungsquelle (-U) über den zweiten Operationsverstärker (A 2) an die zweite Diode (D 2) angelegt ist und daß der zweite Operationsverstärker (A 2) ebenfalls zur rückwirkungsfreien Auskopplung des gleichgerichteten Signals verwendet ist

3. Gleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelie (U, + U, -U) aus der Reihenschaltung einer weiteren, den beiden Dioden (Dl, D 2) typen- und wertgleichen Diiode (D3, D13) mit einem den Serienwiderständen (Al, Ä2) wertgleichen Widerstand (A3, R13) gebildet ist, derart, daß diese Reihenschaltung (D3, A3 bzw. D13, Ä13) von einem mit dem die beiden Dioden (Dl, D2) durchfließenden Strömen gleichgroßen mittleren Strom durchflossen wird und daß dieser Strom durch einen Vorwiderstand (R 5 bzw. R15) bestimmt ist (F i g. 4, F i g. 7).

4. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht invertierenden Eingang ( + ) des einen Operationsverstärkers (A 1) die Vorspannungsquelie (U) und an seinen invertierenden Eingang (-) die Anode der Diode D1 angeschlossen ist, derart, daß vom Ausgang des Operationsverstärkers (A 1) auf seinen invertierenden Eingang (-) über ein Gegenkopplungsnetzwerk (GK) eine starke Gegenkopplung erfolgt, derart, daß dem Ausgang dieses Operationsverstärkers (-4 1) das demodulierte Signal entnehmbar ist (F i g. 3).

5. Gleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den nichtinvertierenden Eingang ( + ) jedes Operationsverstärkers (A\, A2) eine der Vorspannungsquellen (+U, —U) und an den invertierenden Eingang (-) die Anode eine der beiden Dioden (Dl, D2) angeschlossen ist, derart, daß vom Ausgang jedes Operationsverstärkers (A 1 bzw. /4 2) auf seinen invertierenden Eingang ( —) über ein Gegenkopplungsneuwerk (GK 1 bzw. GK 2) eine starke Gegenkopplung erfolgt, daß die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker (A 1, A 2) an den Eingängen eines Differenzverstärkers (DA) anliegen, derart, daß dem Ausgang dieses Differenzverstärkers (DA) das demodulierte Signal entnehmbar ist (F i g. 7).

6. Gleichrichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenkopplungsnetzwerk (GK bzw. GK1 und GK 2) aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (R 4, Ri4) mit einer weiteren, den übrigen Dioden (D 1, D 2, D 3, D13) typen- und wertgleichen Diode (D4, D14) besteht (Fig.5, Fig. η

7. Gleichrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Reihenschaltung aus dem Widerstand (A4 bzw. R14) und der weiteren Diode (D 4 bzw. D14) gleich ^ ■ Z, ist

8. Gleichrichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorstrom der Dioden D 4 bzw. D14) durch Einspeisen eines Hilfsstroms über einen Widerstand (R 6 bzw. R 16) auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (A 1 bzw. A 2) auf den Betrag ί\Ιπ verringert ist.

9. Gleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Operationsverstärker (A 1 und A 2) durch die Serienschaltung zweier gleicher Widerstände (R 7, RS) verbunden sind, derart, daß dem Verbindungspunkt dieser Widerstände (R 7, RS) das demodulierte Signal entnehmbar ist (F i g. 5).

10. Gleichrichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der beiden Operationsverstärker (A 1 bzw. A 2) über einen Widerstand (R7 bzw. R 17) jeweils einem Eingang (+ bzw. -) des Differenzverstärkers (DA) zugeführt sind, daß an diesen Eingängen (+ bzw. —) über weitere Widerstände (RS bzw. R 18) die Vorspannungen ( + U, -U) der Dioden (D2 bzw. D1) des anderen Zweiges angelegt sind (F i g. 7).