DE3044956A1

DE3044956A1 - "digitaler hochleistungsverstaerker"

Info

Publication number: DE3044956A1
Application number: DE19803044956
Authority: DE
Inventors: Hilmer I. Quincy Ill. Swanson
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-28
Publication date: 1981-09-03
Also published as: US4403197A; GB2064901A; GB2064901B; DE3044956C2

Description

Patentanwälte?— ~- ------- -·· ·■

Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser 3 Q 4 4 9 5 8

Ernsbergor strasse 19

8 München 60

28. November 1980

HARRIS CORPORATION
Melbourne/ Florida,
V.St.A.

Unser Zeichen: H 1113

Digitaler Hochleistungsverstärker

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Verstärker, insbesondere digitale Schaltverstärker, bei denen Signalquellen mit zunehmenden Pegeln geschaltet werden, um ein in Frequenz und Amplitude variierendes Eingangssignal auf hohe Leistungspegel zu verstärken.

Bei der Konstruktion von Verstärkern ist der Wirkungsgrad des Verstärkers ein wesentlicher Gesichtspunkt. Andere wichtige Gesichtspunkte sind Zuverlässigkeit, Baugröße usw. Diese Kriterien nehmen an Bedeutung außerordentlich zu, wenn Verstärker für sehr hohe Leistungen ausgelegt worden, wie sie in Modulationsschaltungen herkömmlicher Rundfunksender verwendet werden. Solche Tonfrequenzverstärker müssen ein Tonfrequenz-Eingangssignal bis zu einer Leistung im Bereich von mehreren Kilowatt bis einigen zehn Kilowatt verstärken.

130036/0590

Ein weiteres Kriterium bei der Verstärkerkonstruktion ist die Kompatibilität mit verfügbaren Halbleiterbauteilen. Halbleiterbauteile wie Trans isstören, Vertikal-Feldeffekttransistoren (VFETs), steuerbare Gleichrichter (SCRs) usw. werden wegen ihrer Größe, ihres guten Wirkungsgrades und ihrer Zuverlässigkeit Vakuum-Elektronenröhren vorgezogen. : . Ejie ohne Schwierigkeiten verfügbaren Halbleiterbauteile .". haben jedoch im allgemeinen nicht die erforderliche Leistungs'-kapazität zur Anwendung bei üblichen Verstärkerkonstruktionen■ für sehr hohe Leistungen.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades von Flochleistungsverstärkern".' wurde bereits die Pulsdauermodulation angewandt. Gemäß der "."..'.

US-PS 3 506 920 wird zur Hochleistungsverstärkung ein Träger

signal pulsdauermoduliert, und zwar in Übereinstimmung mit dem sich ändernden Pegel eines Tonfrequenzsignals, wobei dann das entstandene Pulssignal, das zwei verschiedene Pegel annimmt, verstärkt wird und anschließend ein verstärktes Tonfrequenzsignal wiedergewonnen wird, indem das verstärkte PDM-Signal gefiltert wird. Aber auch bei solchen PDM-Verstärkern konnte noch keine befriedi gende Lösung unter Verwendung von Hochleistungs-Halbleiterbauteilen gefunden werden, da solche Bauteile hinsichtlich Leistung und Schaltgeschwindigkeit begrenzt sind.

Zur Behebung dieses Problems wird gemäß der US-PS 4 164 714 vorgeschlagen, daß ein sich zeitlich veränderndes Eingangssignal in eine Mehrzahl von modulierten Pulszügen gleicher Polarität und Frequenz (bei denen es sich jeweils z.B. um ein PDM-Signal handeln kann) umgesetzt wird, wobei diese modulierten Pulsfolgen um einen bekannten Betrag gegeneinander phasenverschoben sind. Die Pulsfolgen werden miteinander kombiniert, um ein zusammengesetztes Signal erhöhter Amplitude zu bilden, das im wesentlichen dieselbe Signalform wie das Eingangssignal aufweist. Im Gegensatz zu den früheren

130036/0590

~^Ί~ 30U956

PDM-Vorstärkern hat sich eine solche Konstruktion als mehrphasiger PDM-Verstärker als geeignet zur Verwirklichung mit vorhandenen Halbleiterbauteilen erwiesen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Hochleistungsverstärker weiter zu verbessern, um insbesondere einen Hochleistungsverstärkerzu schaffen, der geeignet ist zur Anwendung von herkömmlichen. Halbleiterbauteilen und oinen besonders hohen Wirkungsgrad aufweist. Insbesondere soll der Aufwand für die ausgangsseitige Filterung reduziert werden. Ein solcher Hochleistungs-verstärker soll zur Anwendung in HF-Amplitudenmodulations- ■· systemen geeignet sein. ]

Der erfindungsgemäße Verstärker ist zur Verstärkung eines ip Amplitude und Frequenz variierenden Eingängssignals geeignet. Er enthält eine Einrichtung, die auf das Eingangssignal anspricht, um eine digitale Darstellung desselben zu schaffen. Eine Mehrzahl von Signalquellen ist vorgesehen, von denen jede ein zugeordnetes Signal liefert. Eine Kombiniereinrichtung kombiniert aus diesen Signalen ausgewählte Signale miteinander in Übereinstimmung mit der Digitaldarstellung, um ein erstes kombiniertes Signal zu erzeugen, dessen Signalform im wesentlichen dieselbe ist wie die des Eingangssignals, jedoch bei höherer Amplitude.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der angestrebten und der tatsächlichen Signalform des ersten kombinierten Signals variiert. Dieses Fehlersignal wird mit dem ersten kombinierten Signal kombiniert, um ein erstes fehlerkorrigiertes kombiniertes Signal zu erzeugen.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform enthält der Verstärker einen Umsetzer, der auf das sich in Amplitude und Frequenz ändernde Eingangssignal anspricht und Digitalwörter erzeugt,

130036/0590

— O —

die jeweils mehrere Bits umfassen, welche gemeinsam den Analogpegel· des Eingangssignais anzeigen und sich in Abhängigkeit von diesem ändern. Jedem Bit dieser Wörter ist ein Wert zugeordnet, der seinen Beitrag zu dem Gesamtsignal darstell·^ Ferner ist eine auf diese Digitaiwörter ansprechende Einrichtung vorgesehen, die das Eingangssignal in verstärkter Form rekonstruiert. Diese Einrichtung umfaßt eine Mehrzahl von Spannungsquellen zunehmender Spannungen, von denen jede ^: einen Wert aufweist, der demjenigen Wert entspricht, welcher

der entsprechenden Bitpositition des jeweiligen Wortes züge-:

ordnet ist. In dieser Rekonstruiereinrichtung ist eine Mehr-i...:. zahl von Schaltern enthalten, von denen jeder jeweils einer entsprechenden Spannungsgue^e zugeordnet ist. Jede Schalt- * - einrichtung hat wenigstens zwei wählbare Zustände. In dem ; ersten Zustand ist die zugeordnete Spannungsquelle in Reihe mit den anderen ausgewählten Spannungsque^en an den Ausgang angeschlossen, während die zugeordnete Spannungsqueile in dem. anderen Zustand vom Ausgang abgetrennt ist. Der Zustand jedes Schalters wird durch das Bit der entsprechenden Bitposition des Digitalwortes ausgewählt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform umfaßt der Verstärkereine Pulsdauermodulierstufe zum Hinzuaddieren eines pulsdauermodulierten (PDM-)Signals zu dem rekonstruierten Analogsignal, wobei die Pulsdauer des PDM-Trägersignals in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen dem rekonstruierten Signal und dem Eingangssignal moduliert ist. Es wird dann ein Summensignal gebildet, das der Summe dieses PDM-Signals und des rekonstruierten Analogsignals entspricht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform des Verstärkers;

130036/0590

BAD ORiQSNAL

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Verstärkers, bei dem eine PDM-Stufe hinzugefügt ist;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform des Verstärkers;

Fig. 4 ein Blockdiagrajiim einer Spannungsquelle mit zuneh- . ■ menden Spannungswerten, wie sie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 3 verwendet werden kann; -'""

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schaltkreises, der zum Schalten der Stromquellen bei den Ausführungsr formen nach den Fig. 1 bis 3 geeignet ist; und

Fig. 6 eine Darstellung eines rekonstruierten Analogsignals, das von dem erfindungsgemäßen Verstärker erzeugt wird.

Bei der folgenden Beschreibung wird von dem Beispiel eines Verstärkers für eine HF-Modulationsstufe eines üblichen Senders mit Amplitudenmodulation ausgegangen. Dieses besondere Beispiel dient jedoch nur zur Erläuterung der Erfindung. Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verstärkers ist auf weiten Gebieten möglich, insbesondere bei vielen Anwendungen, die eine Hochleistungsverstärkung eines in Amplitude und Frequenz variierenden Eingangssignals erfordern.

In Fig. 1 ist ein Sender für Amplitudenmodulation gezeigt, der einen erfindungsgemäßen Verstärker umfaßt. Eine Senderanordnung 10 enthält eine Tonfrequenzsignalquelle 12, die ein in Amplitude und Frequenz variierendes Tonfrequenzsignal erzeugt, das ausgestrahlt werden soll. Dieses Tonfrequenzsignal (V. ) wird einem Verstärker 14 zugeführt, der es auf einen hohen Leistungspegel verstärkt und das resuliterende Amplitudei signal (V ,) an einer ausgangsseitigen Filterstufg 16 abgibt.

130036/0590

Das Filter 16 entfernt aus dem verstärkten Signal die durch den Verstärkungsvorgang entstandenen Signalteile, die außerhalb der Bandbreite liegen. Das so erhaltene verstärkte und gefilterte Signal wird dann dem Tonfrequenzeingang eines herkömmlichen HF-Leistungsverstärkers 18 zugeführt, wo es einen HF-Träger aus einem HF-Oszillator 20 amplitudenmoduliert. Das sich ergebende amplitudenmodulierte Signal wird dann über eine herkömmliche Antenne bzw. Antennengruppe 22 ausgestrahl t.r^:.

Erfindungsgemäß enthält der Verstärker 14 eine Schaltung 24, an die das Eingangssignal angelegt wird. Diese Schaltung 24 setzt dieses im Amplitude und Frequenz variierende Eingangs- · signal in Digitalwörter um, die jeweils mehrere einzelne Bits.^:.^: umfassen, von denen jedes auf einer entsprechenden Ausgangs— leitung 26 am Ausgang der Schaltung 24 abgegeben wird. Diese Bits geben gemeinsam den Momentanpegel des Tonfrequenzeingangssignals innerhalb eines begrenzten Stufenbereichs und die zeitliche Änderung desselben an, um den sich ändernden Pegel des Tonfrequenzsignals anzugeben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 umfaßt die Schaltung 24 einen herkömmlichen Analog/Digital (A/D)-Umsetzer. Das an der Ausgangsleitung 26 abgegebene Digitalwort umfaßt daher eine Binärdarstellung des Eingangssignals, wobei die vier an den vier Ausgangsleitungen 26 des Umsetzers 24 abgegebenen Bits eine Wichtung von 8-4-2-1 haben. Das Digitalwort ändert sich zwischen der Untergrenze "OOOO" und der Obergrenze "1111" in Übereinstimmung mit Änderungen der Momentanpegel des Tonfrequenzsignals V. , und hat den gemittelten Gleichspannungswert "1000". Bei einigen A/D-Umsetzern kann es erforderlich sein, das Eingangssignal auf eine Gleichspannungs-Vorspannung von der Hälfte der Versorgungsspannung zu legen, um dieses Ergebnis zu erzielen.

Der A/D-Umsetzer 24 kann entweder getaktet werden (d.h. er frischt den Wert des ausgegebenen Digitalwortes nur auf, wenn ein Befehl "Umsetzen" ankommt), oder ungetaktet sein (d.h. das digitale Ausgangswort gibt kontinuierlich den Wert

130036/0590

30U956

des analogen Eingangssignals wieder). Im ersteren Falle muß die Umsetzfrequenz hoch genug sein, damit sich das ausgangsseitige Wort im wesentlichen gleichlaufend mit Änderungen des analogen Eingangssignals ändert.

Das über die Leitung 26 am Ausgang des A/D-Umsetzers 24 ausgegebene Digitalwort wird einer allgemein mit 28 bezeichneten Schaltung zugeführt, deren Aufgabe es ist, das analoge Tonfrequenzsignal in verstärkter Form daraus zurückzugewinnen. Diese Rückgewinnungsschaltung 28 umfaßt eine Mehrzahl von Gleichspannungsquellen 30, 32, 34 und 36, die zunehmende Spannungen aufweisen. Jede dieser Spannungsquellen enthält einen Schaltkreis, der einen entsprechenden Schalter 38, 40, 4 2 bzw. 4 4 umfaßt, und eine zugeordnete Umgehungsdiode' 46, 48, 50 bzw. 52. (Zur Vereinfachung der Beschreibung wird die Kombination einer Spannungsquelle, des zugeordneten Schaltkreises und der Umgehungsdiode auch als "Verstärkerzelle" bezeichnet.) Die von den verschiedenen Spannungsquellen gelieferten Gleichspannungspegel sind so gewählt, daß sie der Wichtung der einzelnen Bits entsprechen, die am Ausgang des Umsetzers 24 erscheinen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform haben also die vier Spannungsquellen 30, 32, 34 und 36 die Wichtungen 8-4-2-1, da das Digitalwort binärcodiert ist. Jede Spannungsquelle ist ferner in bezug auf die anderen Spannungsquellen "freischwebend". Folglich können verschiedene Ausgangsspannungen gebildet werden, indem einfach die erforderlichen Spannungsquellen miteinander in Reihe geschaltet werden.

Die Schaltkreise, die jeweils den Spannungsquellen zugeordnet sind, werden jeweils durch das Bit des entsprechenden Wertes gesteuert. Zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt kann also ein solches Bit entweder den Zustand binär "0" oder den Zustand binär "1" annehmen. Wenn das Bit einen Wert angenommen hat, so wird die zugehörige Spannungsquelle in Reihe

130036/0590

COPY

3044356

mit anderen ausgewählten Spannungsquellen geschaltet und an die Last angelegt, die in diesem Falle aus der Filterschaltung 16 und dem HF-Leistungsverstärker 18 gebildet ist. Wenn das Bit jedoch in seinem zweiten Binärzustand ist/ so schaltet der Schaltkreis die zugehörige Spannungsquelle vom Ausgang ab, so daß die Spannung dieser Spannungsquelle keinen Beitrag zu dem zusammengesetzten Signal liefert, das an der Last erscheint.

In Fig. 1 sind zwar die Schalter 38 bis 4 4 als herkömmliche mechanische SPST-Schalter gezeigt, bei einer praktischen Ausführungsform werden jedoch Halbleiterschalter verwendet, wie sie anschließend beschrieben werden.

Um die Arbeitsweise der Rückgewinnungsschaltung 2 8 besser zu verstehen, soll angenommen werden, daß die Verstärkerzelle eine Spannungsquelle 36 und die zugeordneten Schaltungselemente 44, 52 umfaßt, die auch als Beispiel für die übrigen Zellen der Rückgewinnungsschaltung dienen können. Bei dieser .Verstärkerzelle wird wie bei allen anderen Verstärkerzellen die zugehörige Spannungsquelle 36 in Reihe mit dem zugeordneten Schalter 54 und parallel zu der Umgehungsdiode 52 geschaltet. Ferner ist diese Zelle in Reihe mit allen anderen Zellen der Rückgewinnungsschaltung 28 geschaltet. Wenn der Schalter 44 "offen" ist, so ist die Spannungsquelle 36 abgetrennt und trägt daher zu dem Gesamtsignal, das am Ausgang des Verstärkers erscheint, nicht bei. Die Abtrennung dieser Spannungsquelle stört jedoch in keiner Weise den Betrieb der übrigen Spannungsquellen, da die Diode 52 eine Stromumgehung der Spannungsquelle 36 ermöglicht, so daß der Strom in die am Ausgang des Verstärkers angeschlossene Last fliessen kann. Wenn der Schalter 44 jedooh "geschlossen" ist, so wird die zugeordnete Umgehungsdiode 52 in Sperrichtung vorgespannt, so daß die Spannungsquelle 36 in Reihe mit den übrigen Zellen des Verstärkers geschaltet wird. Jede Spannungsquelle 30 bis 3 6 kann also in Reihe mit irgendeiner ausgwählten Kombination der übrigen Spannungsquellen geschaltet werden.

1 30036/0590

Welche der Spannungsquellen 30, 32, 34 und 36 zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt am Ausgang des Verstärkers in Reihe geschaltet sind, hängt ausschließlich von dem Binärwort ab, das am Ausgang des A/D-Umsetzers 24 ausgegeben wird. Wenn dieses Binärwort z.B. "1011" ist, so istdie am Lastkreis erscheinende Spannung: 8V₁ plus 2V- plus V-, d.h. 11V-, Da jeder Schaltkreis zwei mögliche Schaltzustände aufweist, gibt es insgesamt 2 , also sechzehn verschiedene Kombinationen der einzelnen Spannungsquellen. Es gibt also sechzehn verschiedene Analogspannungswerte, die am Ausgang erzeugt werden können, und zwar unter Steuerung der Digitalsignale, die von dem A/D-Umsetzer 24 geliefert werden. Da dieser Umsetzer 24 von dem Analogsignal angesteuert wird, das die Tonfrequenzsignalquelle 12 liefert, und da ferner die Codierung des Digitalwortes dieselbe ist wie die Wichtung der Spannungsquellen, spiegelt das Ausgangssignal das Eingangssignal in Form von Spannungsstufen wider. Da die Größe der Schritte (gleich der kleinsten Spannung V.,) nur von der Größe der Spannungen abhängt, die von den Spannungsquellen geliefert werden, kann dieses Ausgangssignal eine viel größere Amplitude haben, wenn diese Spannungen entsprechend gewählt werden.

Fig. 6 zeigt ein analoges Eingangssignal V^_n und das Ausgangssignal V ,, welches der Verstärker nach Fig. 1 ansprechend auf das Eingangssignal liefert. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Spannungen V. und V . mit im wesentlichen gleicher Amplitude dargestellt; die Spannungsstufen der Spannung V_Q . sind jedoch im allgemeinen viel höher, so daß der Verstärker 14 eine hohe Spannungsverstärkung liefert.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, enthält das rekonstruierte Analogsignal Übergangsschritte von jeweils einem Signalpegel zu dem nächsten Pegel, wodurch unerwünschte Hochfrequenzkompo-

1 30036/0590

304A956

nenten in die rekonstruierte Signalforiti eingefügt werden. Das in Fig. 1 gezeigte Filter 16 ist ein herkömmliches T-Filter mit Induktivitäten 54 und 56 und einem Kondensator 58; es ist so ausgelegt, daß es die Hochfrequenzkomponenten ausfiltert, die durch die Übergangssehritte verursacht werden, so daß das wiedergewonnene Ausgangssignal geglättet wird.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Verstärkers, die mit einem mit Pulsdauermodulation (PDM) arbeitenden Verstärker ausgestattet ist, um eine bessere Auflösung der wiedergewonnenen Signalform zu erreichen. Bei dieser Ausführungsform wird das Analogsignal ebenfalls von einer Analogsignalquelle wie die Tonfrequenzquelle 12 in Fig. 1 geliefert. Der Verstärker verstärkt natürlich dieses Signal, um ein verstärktes Signal an die Last abzugeben, z.B. an ein Filter 16 und einen Sender 18.

Der Verstärker 60 nach Fig. 2 umfaßt einen ersten Teil 14, der im wesentlichen mit dem Verstärker 14 nach Fig. 1 übereinstimmen kann. Wie bereits ausgeführt wurde, hat das am Ausgang des Verstärkers 14 gelieferte Signal stufenförmige Übergänge zwischen sechzehn verschiedenen Pegelstufen. Eine gewisse Ungenauigkeit der Verstärkung ergibt sich durch die begrenzte Anzahl von Schritten des Ausgangssignals. Eine größere Auflösung der Verstärkung kann erreicht werden, indem ein A/D-Umsetzer 24 mit höherer Auflösung vorgesehen wird, z.B. mit einer Auflösung von 8, 10 oder 12 Bits, gemeinsam mit einer entsprechend größeren Anzahl von gewichteten Verstärkerzellen. Unter der Annahme, daß der A/D-Umsetzer ein binärcodiertes Ausgangssignal liefert und daß die Spannungsquellen in entsprechender Weise gewichtet sind, so wird durch Hinzufügung jeder zusätzlichen Verstärkerzelle die Anzahl der insgesamt möglichen Verstärkerpegel mit einem Faktor 2 multipliziert. Die Verwendung eines 8-Bit-A/D-Umsetzers gemeinsam mit einem Verstärker, der acht Zellen aufweist,

130036/0590

ergibt daher 256 mögliche Analogpegel am Ausgang. An irgendeiner Stelle wird jedoch eine minimale Schrittgröße gefunden, bei der es nicht mehr möglich ist, Verstärkerzellen vorzusehen, die geringere Spannungssprünge aufweisen. Bei dem Verstärker 60 in Fig. 2 wird eine PDM-Verstärkerstufe 62 verwendet, um die Auflösung sogar noch über diese Grenze hinaus zu steigern.

Der Verstärker 6 2 enthält eine zusätzliche Verstärkerzelle 64, die wie alle zuvor genannten Zellen eine Spannungsquelle 66, einen Schalter 68 und eine ümgehungsdiode 70 aufweist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform hat die der Zelle 64 zugeordnete Spannungsquelle 66 eine Ausgangsspannung, die gleich der Amplitudendifferenz zwischen den benachbarten Spannungspegeln ist, die durch den Verstärker 14 erhalten werden können. Wenn also der Verstärker 14 gemäß Fig. 1 ausgebildet ist, so liefert diese Spannungsquelle 66 dieselbe Spannungserhöhung wie die Spannungsquelle 36. Das Einschalten der Spannungsquelle 66 in den Stromkreis und aus diesem heraus erfolgt mittels eines Halbleiterschalters Der Schalter 68 ist jedoch bei dieser Ausführungsform, durch einen Pulsdauermodulator 72 gesteuert, der irgendeine herkömmliche Ausbildung haben kann (z.B. wie in der US-PS 4 164 714 beschrieben).

Der Pulsdauermodulator 72 hat als Eingangssignal ein Analogsignal, das die Differenz zwischen dem rekonstruierten Signal aus dem Verstärker 14 (auf gleiche Amplitude wie das Eignangssignal heruntergeteilt) und dem Eingangssignal V· darstellt. Um das rekonstruierte Signal auf denselben Verstärkungswert wie das Eingangssignal V^ zu dämpfen, ist ein Widerstandsspannungsteiler vorgesehen, der aus einem Festwiderstand 74 in Reihe mit einem Potentiometer 76 gebildet ist. Der Schleifer des Potentiometers 76 wird so lange verstellt, bis die am Abgriff erscheinende Spannung im wesent-

130036/0590

lichen dieselbe Größe wie das Analogsignal hat, das am Eingang des Verstärkers anliegt. Ein Differenzverstärker 78 subtrahiert das eine Signal von dem anderen und liefert an seinem Ausgang ein Signal, das die Differenz zwischen dem angestrebten Signal (d.h. dem Eingangssignal V. ) und der tatsächlichen rückgewönnenen Signalform des am Schleifer des Potentiometers 76 abgegriffenen Signals darstellt. Das Ausgangssignal des Pulsdauermodulators 72 ist eine Impulsfolge, deren Pulse mit geeigneter Frequenz erscheinen (z.B. 100 kHz), bei einem Pulsverhältnis, das sich direkt abhängig von der Amplitude des Signals aus dem Differenzverstärker 78 von 0 bis 100% ändert.

Die im Betrieb von dem Differenzverstärker 78 gelieferte Spannung ist sehr klein oder verschwindend, wenn das rekonstruierte Signal genau mit dem idealen Signal übereinstimmt. Das von dem Pulsdauermodulator 72 gelieferte Ausgangssignal hat dann einen sehr kleinen Wert des Pulssignals, der auch verschwindende sein kann, so daß der Schalter 68 geöffnet bleibt, und das rekonstruierte Signal praktisch unverändert den Verstärker 62 durchläuft. Wenn die Differenz zwischen dem rekonstruierten Signal und der angestrebten Signalform zunimmt, nimmt jedoch auch das Pulsverhältnis des zyklischen Signals am Ausgang des Pulsdauermodulators zu, so daß die Spannungserhöhungsquelle mit einem entsprechenden Pulsverhältnis eingeschaltet wird und eine PDM-Komponente zu dem Ausgangesignal V . hinzuaddiert wird. Bevor der Verstärker 14 den nächsten Amplitudenpegel einschaltet, hat das PDM-Signal praktisch ein Pulsverhältnis von beinahe 100%. Beim Einschalten des nächsten Pegels durch den Verstärker 14 sinkt natürlich die Differenz zwischen der angestrebten Amplitude und der tatsächlichen Amplitude auf praktisch Null, so daß das Pulsverhältnis des Pulsdauermodulators in gleicher Weise auf den Wert Null absinkt. Da die Verstärkerzelle 64 im wesentlichen in Reihe mit den Verstär-

130036/0590

kerzellen des Verstärkers 14 geschaltet ist, wird das PDM-Signal in gleicher Weise zu dem rekonstruierten Signal hinzuaddiert/ wie die Spannungsstufen, die von den anderen Zellen des Verstärkers 14 erzeugt werden.

Der Ausschnitt I in Fig. 6 zeigt in vergrößertem Maßstab das Aussehen des Ausgangssignals V . des Verstärkers nach . Eig. 2, wenn ein Eingangssignal V. angelegt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist zwar der Verstärker 62 zwischen den Verstärker 14 und das Filter 16 geschaltet, dieser Verstärker 62 kann jedoch auch zwischen der letzten Verstärkerzelle des Verstärkers 14 und Masse angeordnet werden. In diesem Falle muß jedoch das dem Differenzverstärker 76 zugeführte, in die richtige Größe gebrachte Signal auf andere Weise abgeleitet werden. Z.B. können die Ausgänge 26 des A/D-Umsetzers 24 nach Fig. 1 jeweils über einen Widerstand 82 mit einem Eingang eines Stromverstärkers 80 verbunden sein, so daß in dem Stromverstärker ein Stromsignal erzeugt wird, das sich entsprechend dem am Ausgang 26 ausgegebenen Digitalwort ändert. Durch Wichtung der Widerstände 82 mit den Faktoren 1, 1/2, 1/4 und 1/8 kann erreicht werden, daß der Gesamtstrom am Eingang des Verstärkers linear der Amplitude des rekonstruierten Signals entspricht, das an den Verstärkerzellen erscheint, die durch diese Ausgangssignale gesteuert werden. Deren Ausgangsspannung entspricht dann dem Eingangsstrom aus den vier Leitungen 26 und spiegelt somit den jeweiligen Beitrag zu dem rekonstruierten Ausgangssignal des Verstärkers 14 wider. Dieses Spannungssignal wird dann dem Eingang des Differenzverstärkers 76 anstelle des Signals am Abgriff des Potentiometers 74 bei der Ausführungsform nach Fig. 2 zugeführt. Die sich so ergebende Arbeitsweise ist im wesentlichen dieselbe wie bei dem Verstärker nach Fig. 2. Bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen hat stets eine der abgestuften

130036/0590

Spannungsquellen eine Spannungsstufe, die im wesentlichen gleich der Hälfte des Gesamtspannungsbereiches ist, über den sich das Ausgangssignal verändern kann. In Fig. 1 hat z.B. die Spannungsquelle 30 den Spannungswert 8V,, wenn der Gesamtspannungsbereich nur den Wert 16V.. hat. Für viele Anwendungen ist dieses zwar unproblematisch, es ergeben sich jedoch Anwendungsbeschränkungen, wenn Ausgangsspannungen gewünscht werden, die sich bis ins Kilovoltbereich hinein und darüber erstrecken. Der Grund hierfür ist im wesentlichen, daß die verwendeten Halbleiterbauelemente für das Zuschalten der Spannungsquellen eine begrenzte Spannungsfestigkeit haben. Wenn also die Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 genau befolgt werden, so ist der Gesamtspannungsbereich des Ausgangssignals auf einen Wert der zweifachen Grenzspannung beschränkt. Durch praktische Erwägunge/n wird dieser Bereich noch weiter eingeschränkt, denn Schaltelemente für Höchstleistung sind relativ teuer und können für viele Anwendungen zu aufwendig sein.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der die am Ausgang erzeugbare Spannungsamplitude nicht begrenzt ist. Bei dieser Ausführungsform ist wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 ein Verstärker 98 vorgesehen, der eine Schaltung 100 zum Umsetzen des analogen Eingangssignals in ein Mehrfachbit-Digitalsignal umfaßt. Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Schaltung 100 irgendeinen herkömmlichen "Pegeldetektor", z.B. vom Typ TL49O von Texas Instruments o.dgl. Dieser Pegeldetektor enthält im Gegensatz zu dem A/D-Umsetzer bei Fig. 1 keine unterschiedlich gewichteten Ausgänge. Vielmehr stellt jeder Ausgang ein Spannungserhöhungsäquivalent dar, wobei der Gesamtspannungsbereich, der durch diese Schaltung dargestellt wird, gleich dieser Spannungstufe, multipliziert mit der Anzahl von Ausgängen ist. Wenn der Momentanpegel des Eingangssignals den niedrigsten Wert hat, der von dem Pegeldetektor dargestellt werden kann (d.h. negativer Maximalwert), so liegen alle Ausgangsleitungen

130036/0590

des Pegeldetektors auf niedrigem Pegel. Wenn das Eingangssignal stetig erhöht wird, nimmt auch die Anzahl von Ausgangsleitungen stetig zu, die hohen Pegel annehmen, bis das Eingangssignal den höchsten Pegel erreicht, der durch den Pegeldetektor dargestellt werden kann (d.h. positiver Maximalwert) , wobei dann alle Ausgänge auf hohem Pegel liegen. Der Glexchspannungspegel des Eingangssignals ist natürlich normalerweise auf den Mittelwert zwischen positivem und negativem Maximalwert eingestellt.

Wie beider zuvor beschriebenen Ausführungsform wird das Ausgangssignal der Schaltung 100 einer Rückgewinnungsschaltung zugeführt, die eine Mehrzahl von Zellen 102 aufweist, wobei jede Zelle eine Spannungsquelle 104, einen Halbleiterschalter 106 und eine ümgehungsdiode 108 aufweist. Bei dieser Ausführungsform liefert jedoch im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausfuhrungsformen jede Spannungsquelle 104 eine Ausgangsspannung, die im wesentlichen gleich der Ausgangsspannung ist, die von den anderen Spannungsquellen geliefert wird. Dies ist möglich, weil die Ausgänge des Pegeldetektors 100 in gleicher Weise gewichtet sind, anstatt binär, im BCD-Code oder anders codiert zu sein, wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und Fig. 2. Jede Spannungsquelle 104 hat also einen Wert, der gleich dem kleinsten gewünschten Spannungssprung ist. Die Spannungssprünge sind daher nicht groß genug, um Schwierigkeiten hinsichtlich der Begrenzung der Arbeitsspannung der verwendeten Halbleiterbauteile zu verursachen.

Die Anzahl der Spannungsstufen ist jedoch wesentlich höher als bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2, da für jeden möglichen Spannungssprung jeweils eine Spannungsquelle vorhanden sein muß. Wenn also 256 verschiedene Pegel des Ausgangssignals gewünschte werden, so müssen 256 verschiedene Verstärkerzellen vorgesehen sein. Die Kompliziertheit und der Umfang der Schaltung können vermindert werden,

1 30036/0590

— ■.!■—■ ι

wenn die Anzahl von Zellen reduziert wird. Dadurch wird jedoch die Anzahl der möglichen Spannungsstufen reduziert, wodurch die Auflösung der rekonstruierten Signalform eingeschränkt wird.

Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 3 wird das Problem der miteinander konkurrierenden Kriterien der Signalauflösung und des Aufwandes dadurch gelöst, daß eine zusätzliche Verstärkerstufe 110 in Reihe mit den Verstärkerzellen 1O2 vorgesehen ist. Diese Verstärkerstufe 110 kann im wesentlichen gleich ausgebildet sein wie der Verstärker 14 in Fig. 1 bzw. der Verstärker 62 in Fig. 2 oder der Verstärker 60 in Fig. 2, der eine Reihenkombination der Verstärker 14 und 62 darstellt. Bei Anwendung des Verstärkers 14 nach Fig* 1 in Kombination mit den zuvor beschriebenen Verstärkerzellen 102 kann die Anzahl der Spannungsquellen 104, die für irgendeine gegebene Signalauflösung erforderlich ist, um einen Faktor 16 vermindert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß zwischen jeweils zwei Schaltstufen der Zellen 102 sechzehn verschiedene Spannungsstufen durch Kombination der vier unterschiedlich gewichteten Zellen des Verstärkers 14 erzeugt werden. Eine noch größere Auflösung wird erreicht, wenn der Verstärker 60 in Reihe mit dem Verstärker 98 Anwendung findet. Welcher Verstärker auch in der Stufe 110 verwendet wird, die verschiedenen Spannungsquellen 104, die dem Verstärker 98 zugeordnet sind, können so gewählt werden, daß sie an die praktischen und wirtschaftlichen Grenzen der zugeordneten Schaltbauteile angeglichen sind, und die Auflösung zwischen den verschiedenen Spannungsschritten wird durch die Verstärker 16 und/oder 62 nach Fig. 2 erreicht.

Wenn ein Verstärker 110 in Reihe mit dem Verstärker 98 verwendet wird, so muß das am Eingang des Hilfsverstärkers 110 angelegte Spannungssignal wiederum die Differenz zwischen dem Stufensignal am Verstärker 98 und der angestrebten Signalform sein. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird dieses

130036/0 5 90

- 21 - 3QU956

Differenzsignal wiederum gewonnen, indem das am Verstärker 98 erscheinende Signal durch einen Festwiderstand 111 und ein Potentiometer 112 heruntergeteilt wird. Der Schleifer des Potentiometers 112 liefert ein Signal, das vom Eingangssignal V mittels eines Differenzverstärkers 114 subtrahiert wird. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 können die Verstärkerstufen 98 und 110 auch vertauscht werden, so daß sich der Verstärker 110 zwischen dem Verstärker 98 und Masse befindet; in diesem Falle wird das Steuersignal der Verstärkerstufe 110 in anderer Weise abgeleitet, z.B. wie in Fig. 2A gezeigt ist. Wenn die Technik nach Fig. 2A Anwendung findet, so müssen natürlich die den Eingang des Stromverstärkers speisenden Widerstände jeweils gleiche Werte aufweisen, da die Ausgänge des Pegeldetektors 100 ebenfalls gleich gewichtet sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsformen der Spannungsstufenquellen und der Halbleiterschaltelemente für die Ausführungsformen nach den Fig. 1,2 und 3. Auch andere Ausführungsformen sind möglich, und die nun erläuterten Ausführungsformen sind nur als Beispiele aufzufassen.

Bei dem Beispiel nach Fig. 4 ist eine Stromquelle gezeigt, die im wesentlichen aus einem Dreiphasentransformator 120, sechs Dioden 122, die in herkömmlicher Weise als Dreiphasen-Vollweggleichrichter geschaltet sind, und einem Siebkondensator 124 besteht. Es können auch Regelelemente .vorgesehen sein, um die am Ausgang der Spannungsquelle gelieferte Spannung zu stabilisieren, anstatt das Ausgangssignal direkt am Siebkondensator 124 abzugreifen. Durch die Trennwirkung des Transformators 120 ist die am Siebkondensator 124 erscheinende Spannung freischwebend in bezug auf Masse und auf die anderen Spannungsquellen.

Bei dem Beispiel nach Fig. 5 enthält der Schaltkreis einen

130036/0590

Hochleistungstransistor 126 zum Schalten der Spannungsquelle, während der übrige Teil der in Fig. 5 gezeigten Schaltung zum Ansteuern dieses Transistors 126 dient. Beim Zusammenschalten mit einer Verstärkerzelle nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen wird der Kollektoranschluß P mit dem positiven Anschluß der zugeordneten Spannungsquelle verbunden, während der Emitteranschluß N mit der Kathode der Umgehungsdiode dieser Zelle verbunden wird.

In Fig. 5 ist die Treiberschaltung 128 von den Steuerleitungen durch eine Leuchtdiode 130 und eine optisch daran angekoppelte Fotodiode 132 isoliert. Wenn ein digitales Signal mit hohem Pegel an den Eingangsanschluß 134 angelegt wird, wird dieses Spannungssignal durch einen Widerstand 136 in einen Strom umgesetzt, der durch die Diode 130 fließt. Diese sendet dann Licht auf die Fotodiode 132, die darauf ansprechend von einem Zustand hoher Impedanz in einen Zustand niedriger Impedanz umschaltet.

Zwischen der Leuchtdiode 130 und der Fotodiode 132 kann eine Verbindung über Lichtleitfaser vorgesehen sein. Eine solche Lichtleitfaserverbindung ist sehr vorteilhaft, wenn die Codierschaltung, welche die Steuersignale erzeugt, sich räumlich entfernt von der Schaltkreisanordnung und den Spannungsquellen befindet. Lichtleitfaserverbindungen sind unempfindlich gegen elektromagnetische Störstrahlung, und anders als herkömmliche mehradrige Kabel verursachen sie auch keine Reaktanzen.

Durch Anlegen eines Digitalsignals mit dem Pegel logisch "1" an den Anschluß 134 wird die Diode 132 in ihren niedrigen Impedanzzustand gebracht, so daß Strom durch einen Widerstand 135 zur Basis eines Transistors 137 fließen kann. Dieser schaltet wiederum die Transistoren 138 und 140 durch, wodurch der Ausgangstransistor 126 "eingeschaltet" wird. Der

130036/0590 ■

BAD

Treiberstrom für den Ausgangstransistor 126, der von dem Transistor 140 geliefert wird, kann durch eine Klemmschaltung geregelt werden, die durch eine Diode 142 gebildet ist. Wenn der Transistor 126 in die Sättigung gesteuert wird, kann ein Punkt erreicht werden, an dem die Diode 142 in Durchgangsrichtung vorgespannt wird, wodurch die Basisansteuerung des Transistors 140 abgeleitet wird. Wenn der Transistor 126 aus der Sättigung herauskommt, wird jedoch die Diode 142 in Sperrichtung vorgespannt, wodurch die Basisansteuerung des Transistors 140 zunimmt und der Ausgangstransistor 126 erneut in die Sättigung getrieben wird.

Wenn die an den Anschluß 134 angelegte Spannung auf den Wert Null absinkt, geht die Diode 132 in ihren Zustand hoher Impedanz zurück, so daß die Transistoren 137, 138 und 140 gesperrt werden. Durch Speicherung von Ladungsträgern in diesen'Transistoren könnte jedoch der Ausgangstransistor 126 nicht sofort sperren, wenn nicht ein zusätzlicher Transistor 143 vorgesehen wäre. Dieser Transistor legt die Basis des Ausgangstransistors 126 auf Masse, wenn der Transistor 138 sperrt, wodurch gewährleistet ist, daß der Ausgangstransistor 126 schnell und direkt in die Sperrung gesteuert wird.

Der beschriebene Schaltkreis 128 wird durch eine positive und eine negative Spannungsversorgung 144 bzw. 146 mit Betriebsspannung versorgt, die ihren Bezugspunkt am Anschluß N haben, wie in Fig. 5 gezeigt ist."Um eine solche Festlegung des Bezugspunktes zu ermöglichen, sind die Stromversorgungen 146, 144 von dem Wechselstromnetz durch einen Transformator (nicht dargestellt) entkoppelt, ebenso wie die Spannungsstufenquelle nach Fig. 4.

Gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind anstelle von Spannungsquellen, die.die Spannungsstufen liefern, Stromquellen vorgesehen.

130036/0590

Leerseite

Claims

Patentanwälte : : ".*":: • Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. E. Prinz Dr. G. Hauser G. Leiser 3044956 Ernsbergerslrasse 19 8 München 60

28. November 1980

HARRIS CORPORATION
Melbourne, Florida,
V.St.A.

Unser Zeichen: H 1113

PATENTANSPRÜCHE

1J Verstärker mit einer auf ein in Amplitude und Frequenz variierendes Eingangssignal ansprechenden Einrichtung zur digitalen Darstellung dieses Eingangssignals, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Signalquellen, die jeweils ein zugeordnetes Signal liefern, und eine Einrichtung zum Kombinieren von aus diesen zugeordneten Signalen ausgewählten Signalen in Übereinstimmung mit der digitalen Darstellung, zur Erzeugung eines ersten kombinierten Signals, das im wesentlichen dieselbe Signalform wie das Eingangssignal, jedoch eine größere Amplitude als dieses aufweist.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur digitalen Darstellung Mittel umfaßt, die auf das in Amplitude und Frequenz variierende Eingangs signal ansprechen und eine digitale Darstellung erzeugen, welche mehrere Bits umfaßt, die zwei Pegel aufweisen können, wobei die Anzahl der Bits mit einem gegebenen Pegel

130036/0590

304495g

dieser zwei Pegel im wesentlichen proportional dem Pegel des in Amplitude und Frequenz variierenden Eingangssignals ist.
3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Mehrzahl von Signalquellen jede ein Signal mit im wesentlichen gleichem Pegel erzeugt.
4. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur digitalen Darstellung Mittel umfaßt, welche auf das in Amplitude und Frequenz variierende Eingangssignal ansprechen und ein binärcodiertes Digitalwort erzeugen, das mehrere Bits umfaßt, die zwei Pegel haben können, wobei der binärcodierte Wert dieses Wortes im wesentlichen der Signalform des in Amplitude und Frequenz variierenden Eingangssignals folgt.
5. Verstärker nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Signalquelle ein Signal erzeugt, dessen Wert proportional dem Wert ist, welcher der Bitposition eines entsprechenden Bits in dem Digitalwort entspricht.
6. Verstärker nach-Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines Fehlersignals in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der angestrebten und der tatsächlichen Form des ersten kombinierten Signals, und durch eine Einrichtung zum Kombinieren des Fehlersignals mit dem ersten kombinierten Signal, zur Erzeugung eines ersten fehlerkorrigierten kombinierten Signals.
7. Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des fehlerkorrigierten Signals Mittel umfaßt, die ein pulsdauermoduliertes (PDM-)Signal erzeugen, das in Übereinstimmung mit dieser Differenz moduliert ist, wobei das pulsdauermodulierte Signal als Fehlersignal dient.

130036/0590

3044958
8. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine weitere wählbare Eingangsquelle und eine Einrichtung zum proportionierten Bemessen der gesamten Zeit, während der das Signal der weiteren Signalquelle mit dem ersten kombinierten Signal kombiniert wird, in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen der tatsächlichen und der angestrebten Form des ersten kombinierten Signals.
9. Verstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum proportionierten Bemessen Mittel umfaßt die ein Rückkopplungssignal liefern, welches dem ersten kombinierten Signal entspricht, jedoch eine verminderte Amplitude aufweist, und Mittel zum Steuern des Zeitanteils aufweist, während welchem das Signal der weiteren Signalquelle mit dem ersten kombinierten Signal kombiniert wird, in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen dem Rückkopplungssignal und dem Eingangssignal.
10. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von wählbaren Signalquellen eine entsprechende Mehrzahl von Spannungsquellen mit zunehmend größeren Spannungen- umfaßt, von denen jede eine im wesentlichen feste Spannung liefert, -und daß die Kombiniereinrichtung Mittel zum Verbinden ausgewählter Spannungsquellen in Reihe miteinander zur Erzeugung des ersten kombinierten Signals umfaßt, wobei diese Spannungsquellen durch entsprechende Bits der Digitaldarstellung ausgewählt werden.
11. Verstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß. die Verbindungsmittel eine Mehrzahl von Schalteinrichtungen umfassen, die jeweils einer entsprechenden Spannungsquelle zugeordnet sind und wenigstens zwei wählbare Zustände aufweisen, daß in dem ersten dieser Zustände die zugeordnete Spannungsquelle ausgewählt und in Reihe mit irgendeiner anderen ausgewählten Spannungsquelle geschal-

130036/0590

tet ist_f um das erste kombinierte Signal zu erzeugen, und in dem anderen Zustand die zugeordnete Spannungsquelle von den ausgewählten Spannungsquellen abgeschaltet ist, wobei der Zustand jeder dieser Schalteinrichtungen durch ein entsprechendes Bit der digitalen Darstellung ausgewählt wird.

130036/0590