-
Schaltungsanordnung zur gleichspannun.smäf3igen Nachbildung
-
der Verstärkung eines Wechselspannungsverstarkers.
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Verstärkung
von Wechselspannungsverstärkern in Nachrichtenübertragungssystemen, insbesondere
von Zwischenverstärkern der Trägerfrequenztechnik, bei der durch ein Stellglied
mit einem auf eine Impedanz im Gegenkopplungskreis des Wechselspannungsverstärkers
wirkenden Stellwiderstand die Verstärkung geregelt wird und bei der außerdem ein
Gleichspannungsverstärker vorgesehen ist und eine der Verstärkung des Wechselspannungsverstärkers
proportionale Gleichspannung (Nachbildspannung) erzeugt wird.
-
Fig.1 zeigt im Prinzip eine in DT-OS 24 52 993 beschriebene Schaltungsanordnung,
bei der eine der Wechselspannungsverstärkung eines Wechselspannungsverstärkers V1
proportionale Nachbildspannung UN erzeugt wird. Der beispielsweise als Heißleiter
ausgeführte Widerstand R des Stellgliedes St wird über den Heizer H mittels eines
hier nicht dargestellten Reglers verändert. Diese Regelung erfolgt in Abhängigkeit
des über einen Pilotverstärker gewonnenen Pilotsignals und einer Überwachungsschaltung,
die von der Nachbildspannung UN beeinflußt wird. Das Bezugspotential der am nicht
invertierenden Eingang des Gleichspannungsverstärkers.V2 liegenden Referenzspannung
Ur und das Bezugspotential des veränderlichen Wiaerstandes R des Stellgliedes St
sind mit dem Bezugspotential der Nachbildspannung UN identisch.
-
Oft ist es aber erforderlich, wie beispielsweise bei Unterflurverstärkern
der Trägerfrequenztechnik., daß das Bezugspotential der Nachbildspannung UN unabhängig
ist von dem HF-Bezugspotential des Widerstandes R des Stellgliedes St.
-
Eine mögliche Lösung wäre, wie in Fig.2 dargestellt, die hochfrequenzmäßige
Erdung des Widerstandes R des Stellglicdes über einen Kondensator C7 an der HF-Masse
des Wechselspannungsverstärkers
V1. Gleichspannungsmäßig kann dann
der Widerstand R über eine Induktivität Li auf ein beliebiges Potential UH gelegt
werden. Diese Lösung ist aber aus hochfrequenztechnischen Gründen, wie Induktivität
des Kondensators Cl und Phasendrehung, und wegen der Störspannungseinkopplung in
den Wechselspannungsverstärker V1 für diesen mit großen Problemen behaftet.
-
Eine weitere Lösungsmöglichkeit wäre die Umsetzung der gemäß Bild
1 erzeugten Nachbildspannung UN auf das gewünschte Bezugspotential mittels einer
weiteren Umsetzerschaltung. Da für die Nachbildspannung aber eine hohe Genauigkeit
und Stabilität erforderlich ist, kann diese Umsetzerschaltung praktisch nur mit
einem zweiten Verstärker, z.B. einem Operationsverstärker, der als Differenzverstärker
geschaltet ist, realisiert werden. Der Einsatz eines weiteren Operationsverstärkers
mit mindestens vier zusätzlichen Widerständen ist aber hinsichtlich der Zuverlässigkeit
und Langzeitstabilität bei den zu verarbeitenden kleinen Spannungen keine günstige
Lösung.
-
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, bei der das Bezugspotential der Nachbildspannung
- eine der Verstärkung eines Wechselspannungsverstärkers proportionale Gleichspannung
- unabhängig ist von dem HF-Bezugspotential des Widerstandes des Stellgliedes, wobei
die Nachteile der beiden obengenannten Lösungsmöglichkeiten vermieden werden sollen.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Feldeffekttransistor
vorgesehen ist, dessen Source-Anschluß mit dem invertierenden Eingang des Gleichspannungsverstärkers
und über einen Widerstand mit dem galvanischen Bezugspunkt des Stellgliedes verbunden
ist, wobei dieser Widerstand den gleichen Wert aufweist wie die im Gegenkopplungskreis
des Wechselspannungsverstärkers liegende Impedanz, daß am nicht invertierenden Eingang
des Gleichspannungsverstärkers eine Referenzspannung liegt, deren Bezugspotential
das galvanische Bezugspotential des Stellgliedes ist, daß der Ausgang
des
Gleichspannungsverstärkers mit dem Gate-Anschluß des Feldeffekttransistors verbunden
ist, daß der Drain-Anschluß des FeldePPekttransistors über einen Widerstand an das
Bezugspotential für die Nachbildspannung geschaltet ist, wobei an diesem Widerstand
die Nachbildspannung abfällt und einer Regelvorrichtung zugeführt wird.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in Fig.3 dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.
-
Die Verstärkung des Wechselspannungsverstärkers Vi wird durch das
Stellglied St geregelt. Im Ausführungsbeispiel besteht das Stellglied St aus dem
veränderbaren Widerstand R, der als Heißleiter ausgeführt ist und mittels des Heizers
H indirekt geheizt wird. Die Regelvorrichtung RV steuert den Strom fluß durch den
Heizer H, wobei diese Verbindung der Übersichtlichkeit halber in der Figur weggelassen
ist. Die in dem selektiven Pilotverstärker VP erzeugte Gleichspannung, welche dem
am Ausgang des Wechselspannungsverstärkers V1 auftretenden Pilotsignal proportional
ist, wird der Regelvorrichtung RV zugeführt.
-
Der im Gegenkopplungspfad des Verstärkers V1 liegende Widerstand Z
stellt die Impedanz des wirksamen Gegenkopplungsnetzwerkes dar. Die gleichstrommäßige
Trennung zwischen dem Stellglied St und dem Wechselspannungsverstärker V1 wird durch
den Kondensator C bewirkt, der zwischen dem Widerstand R des Stellgliedes und dem
Gegenkopplungskreis von V7 liegt.
-
Zum Ausgleich des Frequenzgangs der Dämpfung bei Temperaturänderungen
auf dem Ubertragungskabel kann in den Wechselstrompfad zwischen dem Kondensator
C und dem Gegenkopplungskreis des Verstärkers Vi ein Bodenetzwerk B7 (gestrichelt
eingezeichnet) eingefügt sein. Das ebenfalls gestrichelt eingezeichnete
Netzwerk
B2 im Gleichstrompfad stellt die gleichstrommäßige Nachbildung der Übertragungsfunktion
von B7 bei der Pilotfrequenz dar.
-
Der invertierende Eingang des als Operationsverstärker ausgebildeten
Gleichspannungsverstärkers V2 ist mit dem Source-Anschluß S eines Feldeffekttransistors
T, über eine Induktivität L mit dem Verbindungspunkt von C mit St und über einen
Widerstand R4 mit dem galvanischen Bezugspunkt des Stellgliedes verbunden. Am nicht
invertierenden Eingang des Gleichspannungsverstärkers V2 liegt die Referenzspannung
Ur, deren Bezugspunkt ebenfalls das galvanische Bezugspotential des Stellgliedes
St ist. Diese Referenzspannung Ur kann beispielsweise über einen Widerstandsteiler
mittels einer temperaturkompensierten Zenerdiode gewonnen werden.
-
Der Ausgang des Gleichspannungsverstärkers V2 ist über einen Schutzwiderstand
R5, der den Gatestrom von T begrenzt, mit dem Gate-Anschluß G des Feldeffekttransistors
T verbunden. Der Drain-Anschluß D von T ist über einen Widerstand R3 an das Bezugspotential
UB7 für die Nachbildspannung geführt. Die an diesem Widerstand R3 abfallende Spannung
ist die Nachbildspannung UN, die der Regelvorrichtung RV zugeführt wird In dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bezugspotential UB1 der Nachbildspannung
UN positiver als das galvanische Bezugspotential des Stellgliedes St und der Feldeffekttransistor
T ist ein selbstleitender n-Kanal-FEST. Selbatverständlich kann das Bezugspotential
von UN auch negativer sein (UB2) als das Bezugspotential des Stellgliedes, wobei
dann der Transistor T ein selbstleitender p-Kanal-BET ist und die Referenzspannung
Ur umgepolt wird.
-
Der Strom Ii ist - I Ur - Ur R+R4 <1), I1 . mZ R.R4 wenn vo
oo gilt (2),
wobei vo die Leerlaufverstärkung des Gleichspannungsverstärkers
V2 ist. Durch die Wahl eines geeigneten Operationsverstärkers, beispielsweise mit
vo ~ 90 dB, kann die obengenannte Forderung (2) leicht erfüllt werden.
-
Für die Nachbildspannung UN gilt: UN - I2 R3 (3).
-
Bei Verwendung eines Feldeffekttransistors T ist I2 - I1, so daß sich
aus Gleichung (3) mit Gleichung (i) UN = Ur # R3 R + R4 (4) R # R4 ergibt. Wählt
man die Widerstände R3 und R4 gleich der Impedanz Z, dann wird UN = Ur R + Z R (5).
-
Für die Gleichspannungsverstärkung gilt dann vN = UN = R + Z (6).
-
Ur R Die Wechselspannungsverstärkung des Verstärkers V1 berechnet
sich zu vH = 1 + Z = R + Z (7).
-
R R Vergleicht man Gleichung (6) mit (7), so sieht man, da3 vN I
vH ist und daß die Nachbildspannung UN der Wechselspannungsverstärkung vH proportional
ist: UN = Ur # vH (8).
-
Die erforderlichen Steuerspannungsänderungen des Feldeffeittransistors
T bei Veränderung des Widerstandes R des Stellgliedes St werden durch die hohe Leerlaufverstärkung
vo des Operationsverstärkers V2 eliminiert. An der Drain D von T entsteht infolge
der Gegenkopplung über V2 eine extrem hohe Quellimpedanz zur Speisung von R3, so
daß die Nachbildspannung
UN praktisch unabhängig von Schwankungen
der Spannung UBi ist.
-
Bei der Nachbildspannung UN darf ein bestimmter Wert nicht unterschritten
werden, damit eine Weiterverarbeitung in der Regelvorrichtung RV möglich bleibt.
Die Grenze ist hierbei der zulässige Arbeitsbereich der Eingangsspannung der im
Regler als Trigger eingesetzten Operationsverstärker. Ein solcher Wert kann bei
sehr kleinen Wechselspannungsverstärkungen erreicht werden. Je größer die geforderte
Mindestspannung für UN ist, um so größer muß bei gegebenen Werten für die Impedanz
Z und den Stellwiderstand R die Referenzspannung Ur werden.
-
Damit steigt aber gleichzeitig der Gleichstrom durch den Widerstand
R des Stellgliedes an. Diesem Gleichstrom werden jedoch durch die thermische Belastung
des Heißleiterwiderstandes bei Heißleiterstellgliedern oder durch das Klirren bei
Stellgliedern mit Feldeffekttransistoren Grenzen gesetzt.
-
Diese widersprüchlichen Forderungen lassen sich gleichzeitig erfüllen,
wenn der Widerstand R4 gleich der Impedanz Z und der Widerstand R3 größer als die
Impedanz Z ist.
-
Im folgenden wird die Richtigkeit dieser vorteilhaften Dimensionierung
gezeigt. Die oben erhobenen Forderungen sind erfüllt, wenn nachstehende Bedingungen
eingehalten werden: vi . K e vH (9), wobei K eine Konstante größer als 1 sein muß.
-
Damit kann bei einer bestimmten Wechselspannungsverstärkung vH die
Gleichspannungsverstärkung größer gemacht werden.
-
Gemäß Gleichung (4) gilt vN = UN = R3 # R + R4 (10).
-
Ur R4 R
Hieraus ist ersichtlich, daß bei einer bestimmten
geforderten Nachbildspannung UN die Referenzspannung um den Faktor K verkleinert
werden kann.
-
Aus Gleichung (10), (9) und (7) folgt v'N = R3 # R + R4 = K # vH =
# K # R+ Z.
-
R4 R R Damit wird - I R3 . R + R4 K ; R + Z mit R4 - Z ist K 1 R2
I const., da K nun unabhängig von dem veränder-Z lichen Widerstand R ist.
-
Für R32 Z wird dann K> 1, das heißt, die Referenzspannung kann
um den Faktor R3/Z reduziert werden. Die Grenzen sind lediglich durch die Temperaturdrift
und die Langzeitdrift der Offset-Spannung des Operationsverstärkers V2 sowie durch
die parallel zu R3 liegenden Eingangsimpedanzen der Auswerteschaltungen in der Regelvorrichtung
RV gegeben.
-
Wird als Bezugspotential für die Nachbildspannung UN der positive
Anschluß UB1 gewählt, wie im Ausführungsbeispiel in Fig.3, so ist die freie Wahl
dieses Bezugspotentials nur durch die Bedingung UB1 # UNmax + UDSmin + Ur eingeschränkt.
-
Die maximale Nachbildspannung UNmax tritt bei minimalem Widerstand
R des Stellgliedes auf. UDSmin ist die kleinste auftretende Drain-Source-Spannung
am Feldeffekttransistor T.
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist nicht auf die pilotgesteuerte
Regelung von Wechselspannungsverstärkern
in Nachrichtenübertragungssystemen
beschränkt, sondern es können als Regelgröße auch andere Kriterien als das Pilotsignal,
wie beispielsweise die Temperatur, benutzt werden.
-
Leerseite