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BreitLand-Faltverstärker, vornehmlich für
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A/D -Wandler" Die Erfindung betrifft einen Breitband-Faltverstärker,
vornehmlich für A/D-Wandler, mit einer Operationsverstärkerschaltung, insbesondere
Transistor-Operationsverstärker schaltung.
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Für hochauflösende Hochfrequenz-A/D-Wandler, wie sie beispielsweise
für digitale Filter der Video-, Radar- und PCM-Technik benötigt werden, kommen als
Alternative zum aufwendi
gen Parallelverfahren das parallele oder
das serielle Faltungsverfahren mit Gray-Code-Darstellung der Daten in Frage.
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Von diesen bietet sich aufgrund des geringen Aufwandes in erster Linie
die serielle, nichtrekursive Faltung an. Einer breiten Anwendung dieses Verfahrens
standen bisher Unzulänglichkeiten der dabei erforderlichen Faltverstärker entgegen.
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Bekannte Faltverstärker (vgl. Elektroniker, Nr. 5, 1976, Seiten EL
1 bis EL 8 oder Tietze/Schenk, Halileiter-Schaltunsstechnik, 2. Auflage (1971),
Springer-Verlag, Seiten 248 und 249) haben entweder bei ausreichender Genauigkeit
und Stabilität eine unzureichende Bandbreite und schlechtes Einschwingverhalten
oder eine hinreichende Bandbreite bei unzureichender Linearität und Stabilität.
Bekannte Faltverstärker weisen außerdem den Nachteil eines zu hohen technischen
Aufwandes auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit möglichst geringem Aufwand
einen Breitband-Faltverstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch
bei sehr kurzen Umsetzzeiten ein sehr genaues betragsbildendes Übertragungsverhalten
zeigt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Operationsverstärkerschaltung
über eine abgeglichene Schottky-Dioden-Brücke rückgekoppelt ist und daß der Operationsv-rstärkerschaltung
eine. lineare Trennstufe vorgeschaltet ist, die die
Differenzeingänge
der Operationsverstärkerschaltung hochohmig macht.
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Diese Merkmale gewährleisten insbesondere eine hohe Genauigkeit der
Betragsbildung. Die Operationsverstärkerschaltung ist aus Gründen der Breitbandigkeit
einstufig aufgebaut. Aus denselben Gründen wird sie außerdem intern im Strom-Modus
betrieben. Eine bevorzugte Operationsverstärkerschaltung besteht aus einem Differenzverstärker
sowie Stromspiegeln und einer FET-Endstufe, die zur Erreichung einer für den Strom-Modusbetrieb
wichtigen möglichst hohen Leerlaufverstärkung eine sehr hohe Eingangsimpedanz (710
Mfl) und eine niedrige Ausgangsimpedanz (< 5R) besitzt. Die Schottky-Dioden-Brücke
ist als Graetz-Brücke aufgebaut. Sie besteht aus vier sorgfältig ausgesuchten Schottky-Dioden,
die zum Zwecke eines genauen Brückenabgleiches hinsichtlich ihres Durchlaßwiderstandes
und des Blindanteils sehr genau übereinstimmen müssen. Die Trennstufe ist vorzugsweise
als hochlineare Breitband-Dual-FET-Stufe mit hoher Eingangs- und niedriger Awaganssimpedanz
ausgebildet. Eine bevorzugte Anwendung des Breitband-Faltverstärkers bei einem A/D-Wandler
besteht darin, daß zwei oder mehr Breitband-Faltverstärker zu einer Kettenschaltung
angeordnet sind, bei der je ein Ausgang eines ersten Breitband-Faltverstärkers jeweils
mit je einem Eingang eines ihm
(direkt) nachgeschalteten zweiten
Breitband-Faltverstärkers verbunden ist und bei der außerdem an jeden Breitband-Faltverstärker
zwischen dem Ausgang der Operationsverstärkerschaltung und der Schottky-Dioden-Brücke
jeweils ein Komparator angeschlossen ist.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
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Fig. 1a zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Breitband-Faltverstärkers
bestehend aus einer Trennstufe 1 mit zwei Eingängen für zwei Eingangsspannungen
+UE bzw. -UE sowie einer Operationsverstärkerschaltung 2, die über eine abgeglichene
Schottky-Dioden-Brücke 3 in Gestalt einer Graetz-Brücke mit einem ohmschen Widerstand
RK rückgekoppelt ist. Die an dem ohmschen Widerstand RK (Rückkoppelwiderstand) erdfrei
und hochohmig abgenommenen Ausgangs spannungen UA1 und UA2 des Faltverstärkers sind
als Funktion der Eingangsspannung UE in Fig. lb dargestellt.
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Fig. 2 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels
gemäß Fig. Ia. Bei der Trennstufe 1 handelt es sich um eine Breitband-Dual-FET-Stufe,
die mit allen Einzelheiten in Fig. 3 dargestellt ist. Die Operationsverstärkerschaltung
2 besteht
aus einem Differenzverstärker (Transistoren Q1 und Q2),
drei Stromspiegeln SSP1 bis SSP3 sowie einer Breitband-FET-Endstufe i für bipolaren
Betrieb, die detailliert in Fig. 4 dargestellt ist. UV ist die Versorgungsspannung.
Da die Ausgangsspannungen UA1 und UA2 erdfrei und hochohmig abgenommen werden, sind
sie unter der Voraussetzung, daß die Leerlaufverstärkung der Operationsverstärkerschaltung
2 hoch ist ( > 80 dB), direkt proportional dem eingeprägten Strom JE1 bzw. JE2
an den Eingängen des Differenzverstärkers der Operationsverstärkerschaltung 2, d.
h. es gilt UA1 = JK . RK für JK < 0 und JK = JE1 UA2 = JK . RK für JK > 0
und JK = JE2' wobei JK der Strom (durch den Widerstand RK) im Rückkoppelzweig der
Operationsverstärkerschaltung 2 ist. Diese Ströme sind dann weitgehend linear abhängig
von den Eingangsspannungen UE1 und UE2 der Trennstufe 1: JK = JE1 = UE1/RE1 für
UE1 > UE2 JK = JE2 = UE2/RE2 für UE1 < UE2 .
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Die Linearität der Ausgangsspannungen UA1 und UA2 wird praktisch
nur
durch die Widerstände RE1 bzw. RE2 und RK bestimmt. Sie ist weitgehend unabhängig
von den Eigenschaften der verwendeten Diodenbrücke 3. Dazu ist allerdings eine fast
belastungsfreie Abnahme der Spannungen an der Diodenbrücke notwendig. Dieses wird
bei einer weiter unten beschriebenen Kettenschaltung der Breitband-Faltverstärker
bei einem A/D-Wandler durch die der Operationsverstärkerschaltung 2 vorgeschaltete
spezielle Trennstufe 1 gemäß Fig. 3 erreicht, durch die die Operationsverstärkerschaltung
zwei hochohmige "Instrumentationsverstärkereingänge" erhält. Um ein möglichst großes
Bandbreitenverstärkungsprodukt zu erreichen (7200 MHz), ist die Operationsverstärkerschaltung
einstufig ausgeführt. Der Verstärker arbeitet daher auch intern weitgehend im Strom-Modus.
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Dieser Betriebsweise kommen die Verwendung von Transistoren und Transistorschaltungen
mit Grenzfrequenzen über 1 GHz sowie das Stromspiegelkonzept entgegen. An der hohen
Leerlaufverstärkung (7 80 dB) sowie der Anstiegsgeschwindigkeit (Slew-Rate 500 V//usec)
ist die spezielle FET-Endstufe 4 gemäß Fig. 4 maßgeblich beteiligt. Sie besitzt
einen statischen Eingangswiderstand von mehreren 10 MR-, während ihr Ausgangsquellwiderstand
nur einigeff beträgt. Das Kernstück des Breitband-Faltverstärkers ist die abgeglichene
("matched") Schottky-Dioden-Brücke 3 im Gegenkoppelzweig der Operationsverstärkerschaltung
2.
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Fig. 3 zeigt eine speziell für den Breitband-Faltverstärker entwickelte
Breitband-Dual-FET-Trennstufe 1. Die zwei Eingangsspannungen UEi bzw. UE2 werden
je einem Feldeffekttransistor FET1 bzw. FET2 zugeführt. Jedem Feldeffekttransistor
ist je ein Transistor Q3 bzw. Qi zugeordnet, der den Source-Strom des zugehörigen
Feldeffekttransistors FET1 bzw. FET2 in der Weise regelt, daß der Drain-Strom des
Feldeffekttransistors nahezu konstant gehalten wird. Hieraus resultiert das gewünschte
lineare Verhalten der Trennstufe 1 (der Arbeitspunkt der Feldeffekttransistoren
FET1 bzw. FET2 liegt fest und ist nahezu aussteuerungsunabhängig). Referenzdioden
CR1 bzw. CR2 dienen der Arbeitspunkteinstellung der Regel-Transistoren Q3 bzw. Q4.
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Mit R1 und R2 bzw. R'1 und R'2 sind ohmsche Widerstände bezeichnet.
Die Ausgangsspannungen UEI und UE2 der Trennstufe 1 werden - wie in Fig. 2 dargestellt
- den Transistoren Q1 bzw. Q2 des Differenzverstärkers der Operationsverstärkerschaltung
2 zugeleitet.
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Fig. 4 zeigt eine ebenfalls für den Breitband-Faltverstärker besonders
konzipierte Breitband-FET-Endstufe 4 für bipolaren Betrieb, wie sie bei der einstufigen
Operationsverstärkerschaltung 2 benötigt wird (vgl Fig. 2). Der Eingang E der Endstufe
ist mit einem Feldeffekttransistor FET3 verbunden. Aus Gründen
einer
symmetrischen Aussteuerung des Feldeffekttransistors sind beim FET3 getrennte Drtin-Strom-Regelungen
für positive und negative Eingangsspannungen mittels je eines Regel-Transistors
Q5 bzw. Q6 vorgesehen. Dabei sind mit CR3 bis CR5 Referenzdioden, mit CR6 eine Z-Diode
und mit R3 bzw. R3 ohmsche Widerstände bezeichnet. Ein Ausgang A der Endstufe 4
der Operationsverstärkerschaltung 2 wird mit der Schottky-Dioden-Brücke 3 verbunden.
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Fig. 5 zeigt ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel für den Breitband-Faltverstärker
bei einem A/D-Wandler für 8 bit nach dem nichtrekursiven seriellen Faltungsverfahren
unter Verwendung der Gray-Code-Darstellung für die Daten. Der A/D-Wandler besteht
aus einer Kettenschaltung von Breitband-Faltverstärkern, bei der je ein Ausgang
eines ersten Breitband-Faltverstärkers jeweils mit je einem Eingang eines ihm nachgeschalteten
zweiten Breitband-Faltverstärkers verbunden ist und bei der außerdem an jeden Breitband-Faltverstärker
zwischen dem Ausgang der Operationsverstärkerschaltung 2 und der Schottky-Dioden-Brücke
3 jeweils ein Komparator 5 (vornehmlich in ECL-Technik) angeschlossen ist. Das nichtrekursive
serielle Faltungsverfahren eignet sich für hochauflösende A/D-Wandlungen im HF-Bereich
besonders gut. Allerdings werden dabei spezielle Breitband-Faltverstärker
mit
sehr genauem betragsbildendem Ubertragungsverhalten und einer sehr großen Bandbreite
benötigt, wie sie eigentlich erst durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt
werden. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Breitband-Faltverstärkers wird es
möglich, hochgenaue A/D-Wandler nach dem seriellen Faltungsverfahren (Auflösung
bis zu 16 bit) mit Umsetzzeiten z 100 n sec zu realisieren, und dieses bei geringem
technischem Aufwand.
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Das analoge Eingangssignal wird auf einen Eingang AE des A/D-Wandlers
gegeben. Durch die Darstellung der Information Z im nichtzyklischen Gray-Code:
ist es möglich, die A/D-Wandlung bei den Zwischenwandlungsergebnissen auf analoge,
betragsbildende Verstärkungen zu beschränken, ohne daß - wie bei den üblichen Verfahren
- D/A-Rückwandlungen und Subtraktionen notwendig sind. Deshalb läßt sich der A/D-Wandler
nach dem seriellen Faltungsverfahren im wesentlichen als Kettenschaltung identischer
Breitband-Faltverstärker mit parallel geschalteten Komparatoren ausführen, wie in
Fig. 5 dargestellt. Dabei übernehmen die Breitband-Faltverstärker
mit
ihren betragsbildenden Ubertragungskennlinien auf der analogen Seite die Aufgaben
der D/A-Rückwandlung und Subtraktion, die sonst bei Verwendung des Dual-Codes notwendig
wären, während die bei der A/D-Wandlung anfallenden Divisionen von den Komparatoren
ausgeführt werden. An den Ausgängen der Komparatoren 5 (das sind die digitalen Ausgänge
des A/D-Wandlers) stehen dann die einzelnen Koeffizienten bzw. bits gi (i = 0 bis
7) der Gray-Code-Darstellung zur Verfügung, wobei in Fig. 5 mit MSB das höchstwertige
(most significant bit) und mit LSB das niedrigstwertige bit (least significant bit)
bezeichnet sind.
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