DE2518306B2 - Amplitudenbegrenzer - Google Patents
AmplitudenbegrenzerInfo
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G11/00—Limiting amplitude; Limiting rate of change of amplitude ; Clipping in general
- H03G11/06—Limiters of angle-modulated signals; such limiters combined with discriminators
Landscapes
- Tone Control, Compression And Expansion, Limiting Amplitude (AREA)
Description
2S
3°
Die Erfindung betrifft einen Amplitudenbegrenzer der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten
Art.
Derartige Amplitudenbegrenzer finden bei Mikrowellen-Übertragungssystemen,
und zwar insbesondere für frequenz- oder phasenmodulierte Signale Anwendung.
Eine frequenz- oder phasenmodulierte Welle (im folgenden allgemein: winkelmodulierte Welle) unterliegt
häufig Schwankungen der Amplitude, die vor der Demodulation im Empfänger in einem Amplitudenbegrenzer
beseitigt werden müssen. Verwendet man hierzu Amplitudenbegrenzer der eingangs genannten
Art, so taucht dabei folgendes Problem auf: Einerseits erfolgt zwar eine wirksame Amplitudenbegrenzung
dadurch, daß sich der Reihenwiderstandswert der Dioden mit einer Änderung des Pegels des Eingangssignals
automatisch so ändert, daß eine Änderung des Pegels des Ausgangssignal unterdrückt wird. Mit
zunehmender Frequenz des Eingangssignals wirken sich jedoch die Parallelkapazitäten der Dioden störend aus.
Hier ergibt sich keine Kompensation der Ströme durch die beiden Dioden; durch den über die Parallelkapazitäten
führenden Strom ergibt sich vielmehr eine unerwünschte Veränderung der Phasenlage des Ausgangssignals,
verursacht durch eine Änderung des Pegels des Eingangssignals. Dies nennt man eine
» A M/ PM- Kon vertierung«.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Amplitudenbegrenzer der eingangs genannten Art zu
schaffen, bei dem eine AM/PM-Konvertierung der Amplitudenschwankungen des Eingangssignals nicht
gegeben ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen f>5
Merkmale gelöst.
Da nunmehr zwei parallelgeschaltete Amplitudenbegrenzerschaltungen
vorgesehen sind, deren Ausgänge mit einer Gesamtphasendrehung von 180" zusammen
geschaltet werden, kompensieren sich die Einflüsse de Parallelkapazitäten. Da aber ferner die Vorströrm
durch die jeweils in beiden Amplitudenbegrenzerschal tungen vorgesehenen Dioden unterschiedlich bestimm
sind, ergibt sich hinsichtlich der Gleichstromkomponen ten ' keine Auslöschung, sondern - infolge de
unterschiedlichen Arbeitspunkte der Dioden - eii Ausgangssignal mit begrenzter Amplitude.
Auch bei den bekannten Schaltungen der in Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Ar
(US-PS 3 351863) ist einer ersten Amplitudenbe grenzerschaltung, die durch zwei mit ihrer Polaritä
entgegengesetzt in Reihe geschalteten Dioden bestehl eine zweite Amplitudenbegrenzerschaltung paralle
geschaltet. Daher wird davon Ausgegangen, daß diesi Maßnahme an sich bekannt ist. Sie dient jedoch bei de:
bekannten Schaltung dazu, mit den Mitteln einei Amplitudenbegrenzers eine Phasenmodulation herbei
zuführen, wobei durch ein Steuersignal die Dämpfung dieses derart ausgebildeten Modulators einstellbar ist
Das Ziel dieser bekannten Schaltung ist also, obwoh hinsichtlich dieses Merkmais strukturell ähnlich, voll
kommen entgegengesetzt, da die bekannte Schaltung die Erzeugung eines phasenmodulierten Signals zurr
Ziel hat, während eine derartige Phasenmodulation be der Erfindung, sofern sie durch eine Änderung dei
Amplitude des Eingangssignal herbeigeführt wird gerade vermieden werden soll.
Ausfühiungsbeispiele der Erfindung und ihre vorteilhaften
Weiterbildungen werden im folgenden anhanc der Zeichnungen beschrieben.
Es stellt dar
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines bekannter
Amplitudenbegrenzers,
F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers nach Fig. 1,
F i g. 3 ein Zeigerdiagramm für den Amplitudenbegrenzer nach F i g. 2,
F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel,
Fig.5 ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbeispiels
nach F i g. 4,
F i g. 6 ein Zeigerdiagramm für das Ausführungsbeispiel
nach Fig. 5,
Fig. 7 ein Diagramm zur Erläuterung der beim Ausführungsbeispiel verwendeten Dioden,
F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Amplitudenbegrenzer mit zwei in Reihe geschalteten Dioden. Zwischen
Eingangsklemme 1 und Ausgangsklemme 2 sind die Dioden 3 und 4 mit entgegengesetzter Polarität derart
in Reihe geschaltet, daß ihre Kathoden miteinander verbunden sind. Sie werden in Durchlaßrichtung von
Vorströmen durchflossen, die durch eine Vorspannungsquelle 5 hervorgerufen werden. Die Vorspannungsquelle
5 liegt mit ihrem negativen Pol 7 über einen Widerstand 6 an der Verbindungsstelle der Dioden 3
und 4 an. Die Anoden der Dioden 3 und 4 sind gleichstrommäßig über die Spulen 8 bzw. 9 geerdet, von
dieser Erdung wechselstrommäßig jedoch getrennt. Die Verbindungsstelle zwischen Widerstand 6 und Pol 7 ist
wechselstrommäßig über die Kapazität 10 geerdet. Nimmt man an, an der Eingangsklemme 1 liegt als
Eingangssignal eine unmodulierte Trägerwelle an, so führt eine Zunahme des Pegels des Eingangssignals zu
einer Zunahme des Stromes durch die Diode 3 und einer Abnahme des Stromes durch die Diode 4, so daß das
Ausgangssignai um denselben feststehenden Betrag
herabgedrückt wird. Das ergibt sich daraus, daß die Summe der Ströme durch die Dioden 3 bzw. 4 konstant
bleibt und von dem Strom von der Vorspannungsquelle 5 durch den Widerstand 6 bestimmt wird. Dieses
Konstantstromverhalten kann z. B. durch eine Batterie o. df', erreicht werden, wenn dabei der Widerstand 6
wesentlich größer als der Innenwiderstand der Dioden 3 und 4 ist. Dann fließt durch den Widerstand 6 ein im
wesentlichen konstanter Strom, und zwar unabhängig von der Stromverteilung zwischen den Dioden 3 und 4.
Die Kennlinien der Diode sind derart, daß ihr Widerstand mit in Durchlaßrichtung zunehmendem
Strom abnimmt. Wenn nun in Durchlaßrichtung von der Konstantstromquelle durch die Dioden 3 und 4
Vorströme fließen, so folgt daraus, daß sich die Widerstände der Dioden 3 und 4 bei Änderungen des
Pegels des Eingangssignals in jeweils entgegengesetzter Richtung ändern. Durch entsprechende Einstellung der
Vorströme durch die Dioden 3 und 4 läßt sich also eine Amplitudenbegrenzung realisieren.
Nachteilig ist, daß die Dioden 3 und 4 nicht nur Widerstandskomponente, sondern auch eine dazu
parallelliegende kapazitive Komponente aufweisen. Der Einfluß dieser kapazitiven Komponente auf die
Amplitudenbegrenzung ergibt sich aus dem in Fig.2 angegebenen Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers
nach Fig. 1. Zwischen Eingangsklemme 1 und Ausgangsklemme 2 liegt ein Widerstand 11 mit dem
äquivalenten Wert R. Er ergibt sich aus der Spannungs-Strom-Kennlinie der Dioden 3 und 4. Parallel zum
Widerstand 11 liegt eine Kapazität 12, deren äquivalenter Wert C sich aus Kapazitäten der Dioden 3 und 4
ergibt. Zwischen der Ausgangsklemme 2 und Erde liegt als Last ein Widerstand 13 mit dem Wert RL (die Last
war in F i g. 1 weggelassen worden). Die an der Eingangsklemme 1 anliegende Wechselspannung sei £,·
und die Wechselspannung an der Ausgangsklemme 2E0.
Durch den Widerstand 11 fließe der Strom In durch die
Kapazität 12 der Strom I0. Die Summe der Ströme /rund
Ic sein /. Verwendet man die am Eingang anliegende
Spannung £/ als Bezugsvektor, so ergibt sich, wie aus dem Vektordiagramm in Fig.3 zu ersehen, daß der
Strom ir und die Spannung E1 dann in Phase sind, wenn
R> Rl und J_ > RL ist. tc eilt ir und £", um 90° voraus.
IU C
Der Strom lc + Ir - /eilt /r um folgenden Winkel vor:
Θ = tan"
IM
= tan"
>CR.
(Dabei ist ω die Winkelfrequenz des Wechselstromsignals am Eingang). Daraus folgt, daß die Wechselspannung
am Ausgang, Eo = / χ Ru mit dem Strom / in
Phase ist. Der Phasenwinkel der Wechselspannung Eo
am Ausgang gegenüber der Wechselspannung Ej am Eingang hängt also von der Winkelfrequenz der
Parallelkapazität Cund dem Widerstand Ader Dioden
ab.
Aus den oben gegebenen Erläuterungen folgt, daß eine Veränderung des Pegels am Eingang auch zu einer
Veränderung des durch die Kapazität C fließenden Stromes /c führt, während die Veränderung des Stromes
In der durch den Widerstand fließt, unterdrückt werden
kann. Daraus ergibt sich die Amplitudenmodulation/ Phasenmodulation-Konvertierung (AM/PM-Konvertierung).
Außerdem hängt die AM/PM-Konvertierung von der Frequenz ab. Die oben gegebene Erläuterung ging
außerdem von einer unmodulierten Trägerwelle als Eingangssignal aus; bei einer winkelmodulierten
Trägerwelle als Eingangssignal ergibt sich in dieser Art von Amplitudenbegrenzer zusätzlich zu der korrekter-
> weise vorhandenen Komponente der Winkelmodulation
noch eine unnötige Komponente der Winkelmodulation. Sie führt zu Rauschen. Dieser Nachteil wird durch
die Erfindung vermieden.
Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 sind zwei
ίο Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 vorgesehen,
die jeweils für sich genommen denselben Aufbau wie der Amplitudenbegrenzer nach Fig. 1 haben.
Demgemäß sind auch gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, jedoch jeweils zusätzlich mit den
Buchstaben a bzw. 6 bezeichnet. Die Spule 9 ist für beide Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 gemeinsam
vorgesehen; sie stellt für Gleichstrom einen Kurzschluß dar. Die Anoden der Dioden 4a und 46 sind
also sowohl miteinander als auch mit der Ausgangsklemme 2 verbunden. Das an der Eingangsklemme 1
eingehende Wechselstromsignal wird den Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 mit jeweils entgegengesetzter
Polarität zugeführt. Um dies zu erreichen, ist die Eingangsklemme 1 über die Primärwicklung 166
eines Transformators 16, der dazu dient, die Phasenlage zu invertieren, geerdet; der Mittelabgriff der Sekundärwicklung
16s ist ebenfalls geerdet. Ein Ende der Sekundärwicklung 16s ist mit der Anode der Diode 3a
der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a verbunden, das andere Ende ist mit der Anode der Diode 36 der
Amplitudenbegrenzerschaltung 156 verbunden. Wenn die Signale an den Eingängen der beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen
15a und 156 einerseits entgegengesetzte Polaritäten, jedoch denselben Pegel haben, dann
ergibt sich, wenn die Vorströme durch die Dioden 3a und 4a bzw. 36 und 46 gleich sind, daß sich die von den
Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und 156 an der Ausgangsklemme 2 abgegebenen Ausgangssignale
gegenseitig kompensieren. Es entsteht dann kein Ausgangssignal. Man erhält hingegen ein Ausgangssignal,
wenn man eine Potentialdifferenz der Pole 7a und 76 vorsieht, so daß sich durch die Dioden 3a und 4a
andere Vorströrne als durch die Dioden 36 und 46 ergeben. Daraus folgt, daß sich bei Veränderung des
Pegels des Eingangssignals die Einflüsse der Parallelkapazitäten der Dioden auf das Ausgangssignal, wie sie in
den beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a und und 156 jeweils für sich gegeben sind, gegenseitig
ausgleichen. Man erhält ein Ausgangssignal, in dem
sowohl eine Änderung des Pegels des Eingangssignals, als auch eine Änderung des Phasenwinkels, sofern sie
sich nicht aus der Winkelmodulation des Eingangssignals bereits ergibt, unterdrückt ist. Dieses Ausgangssignal
wird an der Ausgangsklemme 2 abgegeben.
Die Funktionsweise des beschriebenen Amplitudenbegrenzers wird im folgenden anhand von F i g. 5
erläutert, die ein Ersatzschaltbild des Amplitudenbegrenzers darstellt. Die Bauteile, denen Bauteile in F i g. 2
entsprechen, sind durch gleiche Bezugszeichen, lediglich zusätzlich mit einem a (Amplitudenbegrenzerschaltung
15a) bzw. einem 6 (Amplitudenbegrenzerschaltung 156) versehen. Die Eingangsklemmen la und 16 entsprechen
einander entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung 16s des Transformators 16 in Fig.4. An ihnen
treffen Eingangssignale £",» urd E* auf, die dieselbe
Frequenz und Amplitude haben, in der Phasenlage jedoch gegeneinander um 180° C verschoben sind.
Demgemäß ergeben sich für die beiden Ampütudenbe-
grenzerschaltungen 15a und 156 die in F i g. 6 dargestellten
Vektoren. Der Einfachheit der Erläuterung halber basiert die dargestellte Beziehung der Vektoren auf der
Annahme, daß
Ra » R1, Rb^ RL,
1
1
οι Ca
I.C6
ι ο
R,
Die Dioden 3a bzw. 4a weisen dieselben Kennlinien wie die Dioden 36 bzw. 46 auf, so daß auch die
Parallelkapazitäten Ca und C6 einander gleich sind. Dann gilt auch |/ca| = |/c6|, und zwar unabhängig vom
Pegel am Eingang und ebenso unabhängig von der Frequenz. Dabei sind Ica und /et derart gegeneinander
phasenverschoben, daß sie sich kompensieren. Selbst wenn also die Absolutbeträge |/ra| und 1/^,1 voneinander
verschieden sind, ist die Spannung Eo am Ausgang immer in Phase mit der Spannung E13 am Eingang. Es
gibt keine Möglichkeit einer von einer Änderung des Pegels des Eingangssignals verursachten Änderung des
Ausgangssignals Eo.
Es ist bekannt, daß die Kapazität C über eine Diode näherungsweise durch folgende Gleichung angegeben
werden kann:
C = S{>qN/2(1>d-V)}
Dabei ist S die Fläche der Sperrschicht, q die Ladung eines Elektrons, ε die Dielektrizitätskonstante, N die
Störstellendichte des Halbleiters, Φα das Diffusionspotential
und V die außen anliegende Spannung. Bei gleichen Kennlinien der verwendeten Dioden sind also,
wie sich daraus ergibt, auch die in F i g. 5 dargestellten Kapazitäten Ca und Cb gleich, sofern auch die außen
anliegende Spannung Vjeweils gleich ist. Berücksichtigt man dann ferner, daß die über die Diode anliegende
Spannung die Summe einer Gleichspannung V/χ- und einer Wechselspannung Vac ist, dann ist die Differenz
der über den Dioden 3a und 4a anliegenden Spannungen und der über den Dioden 3b und 4b anliegenden
Spannungen lediglich gleich der Differenz der über ihnen anliegenden Gleichspannungen Vo1-, da die
Wechselspannungen W jeweils einander gleich sind. Dabei ist die Differenz der Gleichspannungen Vm■
gleich der Differenz der Gleichspannungsabfällc über den Dioden, da die Dioden 3n und 4a und die Dioden 3b
und Ab in Durchlaßrichtung vorgespannt sind. Innerhalb
des Bereiches einer Änderung der Gleichspannung V/«-, in dem die Dioden die Funktion einer Amplitudenbegrenzung
erfüllen, gilt Vm< Vac Daher kann der
Einfluß der Gleichspannung VWvcrnachlassigt werden.
Aus dieser Analyse folgt, daß die in Fig. 5 dargestellten Parallelkapazitätcn Cu und Cb stets
einander gleich sind, und zwar unabhängig von einer Änderung des Pegels des Eingangssignals. Daher sind
auch die Absolutwerte der durch die Kapu/.itütun
fließenden Ströme /<,, und in< stets einander gleich. Sie
kompensieren sich daher.
Im folgenden sollen die Kennlinien und Funktionen der in F i g. 4 verwendeten Dioden anhand von F i g. 7
näher erläutert werden. In F i g. 7 ist entlang der Abzisse der Strom U aufgetragen, der in Durchflußrichtung
durch die Diode fließt. Entlang der Ordinate sind Spannung Vr.über der Diode und der Widerstand /?/der
Diode aufgetragen. Die Kurve 1 in F i g. 7 ist die U VV-Kennlinie, die Kurve 2 ist die ///^-Kennlinie. Der
Vorstrom in Durchflußrichtung, der durch die Dioden 3a bzw. 4a in der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a fließt,
wird durch den Punkt a auf der Abzisse dargestellt. Der Vorstrom durch die Dioden 3b bzw. 4b in der
Ampiitudenbegrenzerschaltung 156 wird durch den Punkt b dargestellt. Er ist geringer als der im Punkt a.
Daraus folgt, daß der Strom /ra durch die Dioden 3a und
4a in der Amplitudenbegrenzerschaltung 15a erheblich größer als der Strom Irb durch die Dioden 36 und 4b in
der Amplitudenbegrenzerschaltung 156 ist, wie das auch aus dem Vektordiagramm nach F i g. 6 für das
Ersatzschaltbild nach F i g. 5 ersichtlich ist. Es sei ferner erwähnt, daß für den Strom /r<, durch den der Diode
äquivalenten Widerstand in der Amplitudenbegrenzerschaltung 156 deshalb ein niedriger Wert als für den
Strom ha durch den der Diode der Amplitudenbegrenzerschaltung
15a äquivalenten Widerstand gewählt wird, weil dadurch eine Herabsetzung des Pegels am
Ausgang vermieden wird. .
Fig.8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Mikrowellenbereich.
Es weist eine Eingangsklemme 1, eine Ausgangsklemme 2, Shottky-Sperrschichtdioden 3a, 3b,
4a und 4b, Widerstände 6a und 6b in Form bei integrierten Schaltungen verwendeter dünner Schichten.
Eingangsklemmen Ta und 7b, an denen die Vorspannungen angelegt werden, sowie in Form dünner
Schichten ausgebildete Kapazitäten 10a und 106 auf. Ferner sind -3db Hybrid-Koppler 17 und 18
vorgesehen, die ebenfalls durch in dünnen Schichten ausgebildete Streifenleiter gebildet werden. Die Phasendifferenz
zwischen den Signalen an den beiden Ausgängen des eingangsseitigen vorgesehenen Hybrid-Kopplers
17 beträgt 90°. Ferner beträgt die Phasendifferenz, die entsteht, während die an den Eingängen des
Ausgangsseitig vorgesehenen Hybrid-Kopplers 18 gelangenden Signale die Strecke von den Eingängen
desselben bis zur Ausgangsklemme 2 durchlaufen ebenfalls 90°. Durch Kombination der beiden Hybrid-Koppler
17 und 18 erhält man so an der Ausgangsklem· nie 2 die Summe, wie sie durch Addition zweier
nichtphasengleicher Stromkomponenten in den beider Amplitudenbegrenzerschaltungen 15a bzw. 156gebildei
wird. Ferner sind Widerstände 19a, 19620a und 206 unc
Kapazitäten 21 a, 216,22,·) und 226 vorgesehen, die durd
dünne Schichten gebildet werden. Des weiteren sine Widerstünde 23 vorgesehen, deren Wert jeweils gleicl
dem des Widerslandes der Last ist. Die Klemmen 2' sind mit einer geerdeten Grundplatte verbunden. Di<
Verbindungen zwischen den einzelnen Bauteilen sine jeweils durch dünne Strcifcnleiter gebildet, die auf einei
dielektrischen Platte, die zum Aufbau einer intcgricrtei Schaltung geeignet und ihrerseits auf einer großflächi
gen Grundplatte angeordnet ist, vorgesehen sind.
Mit einem derartigen Amplitudenbegrenzer konnti im Betrieb eine Ampliüidcnkompression von 26 dl
gegenüber dem Pegel am Eingang als 0 dB Bezugswer und eine AM/PM-Konvcrtierung von weniger als 0,5°/
oder weniger als I dB in einen Frequenzbereich voi 1,7 GH/ ± 100 Ml Iz erzielt werden.
Bei einem Amplitudenbegrenzer gemäß der Erfin
dung tritt im Ausgangssignal auch dann keine Phasenverschiebung bzw. keine frequenzabhängige
Änderung der Phasenverschiebung auf, wenn sich der Pegel des Eingangssignals ändert. Der Einfluß der
AM/PM-Konvertierung, die durch parallele Kapazitäten verursacht wird, kann vernachlässigt werden. Der
Amplitudenbegrenzer ist ferner zur Verwendung im Mikrowellenbereich geeignet, was seither nicht möglich
war. Außerdem hat der Amplitudenbegrenzer gemäß der vorliegenden Erfindung den weiteren Vorteil
einfacher Justierung der Vorströme durch die Di die es erlaubt, sehr leicht ausgezeichnete Kennlini
erhalten. Es ist außerdem nicht notwendig, irgen ehe Einstellkreise zur Einstellung der Phasenver
bung vorzusehen. Als Schaltung zur Umkehrun Phasenlage kommt nicht nur ein Transformator
eine Gabelschaltung in Frage, sondern auch a Schaltungen, die diesen Zweck erfüllen, z. B. Verst
Kabel usw.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
- Patentansprüche:!. Amplitudenbegrenzer, bestehend au·; zwei mit entgegengesetzter Polarität in Reihe geschalteten Dioden und einer Konstar.tstromquelle, von der her über einen Widerstand und den Verbindungspunkt der Dioden durch diese Vorströme fließen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrükkung einer AM/PM-Konvertierung eine weitere Amplitudenbegrenzerschaltung (150) mit demselben Aufbau in an sich bekannter Weise der ersten Amplitudenbegrenzerschaltung (15a) parallel geschaltet ist, wobei die Parallelschaltung über phasendrehende Einrichtungen (16, 17) erfolgt, daß die Vorströme in den Dioden (3a, 4a; 36, 46;) der beiden Amplitudenbegrenzerschaltungen (15a, 15A>) auf verschiedene Werte (a, b) eingestellt sind, und daß die Ausgänge, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer weiteren phasendrehenden Einrichtung (18), mit einer Gesamtphasendrehung von 180° zusammengeschaltet sind.
- 2. Amplitudenbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die phasendrehenden Einrichtungen aus Hybrid-Kopplern (17, 18) mit 90°-Phasendrehung bestehen.15
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