DE3701245A1

DE3701245A1 - Circuit arrangement for a driver stage with galvanically decoupled differential output

Info

Publication number: DE3701245A1
Application number: DE19873701245
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Roeh
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-01-17
Filing date: 1987-01-17
Publication date: 1988-07-28
Also published as: DE3701245C2

Abstract

The invention relates to a circuit arrangement for a driver stage equipped with a galvanically decoupled differential output and intended for the transmission of analog DC voltage signals with superimposed AC voltage signals. The galvanically decoupled AC voltage signals are combined with the DC voltage signal in an adding stage and modulated onto a carrier frequency in an amplitude modulator. The amplitude-modulated signal is then supplied through a broadband high-frequency transmitter referred to zero potential, to a full-wave rectifier, from whose outputs the difference signal which is symmetrical with respect to the reference potential can be picked off. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für eine einen galvanisch entkoppelten Differenzausgang aufweisende Trei berstufe zum Übertragen von mit Wechselspannungssignalen überla gerten Gleichspannungssignalen.The invention relates to a circuit arrangement for a a galvanically decoupled differential output Trei Transfer stage for the transmission of AC signals generated DC signals.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind grundsätzlich bekannt. Mit solchen Schaltungen lassen sich insbesondere Erdungsschleifen und Störungen, die über die Spannungsversorgung eindringen könnten, vermeiden. Treiberschaltungen mit galvanisch entkoppeltem Diffe renzausgang werden z.B. in Raumfahrzeugen eingesetzt, da bei den dort benutzten Geräten aus Gründen der elektromagnetischen Ver träglichkeit eine galvanische Trennung zwischen dem Bus der Span nungsversorgung (Power-Bus) und den Signaleingängen sowie den Signalausgängen erforderlich ist. Diese Forderung wird "Power- Isolation" genannt und als Widerstandswert spezifiziert.Circuit arrangements of this type are generally known. With such circuits can be ground loops and Faults that could penetrate through the voltage supply avoid. Driver circuits with galvanically decoupled dif limit output are e.g. used in spacecraft because the devices used there for reasons of electromagnetic Ver inertia a galvanic isolation between the bus the Span Power supply (power bus) and the signal inputs as well as the Signal outputs is required. This requirement is called "power Isolation "and specified as a resistance value.

Bei einer Treiberschaltung für eine Fernsehkamera z.B. einer sog. CCD-Farbfernsehkamera mit Wechselstromversorgung, kann die gal vanische Trennung auf der Spannungsversorgungsseite in bekannter Weise mit einem geeigneten Transformator vorgenommen werden. Dies bedeutet aber zusätzlichen Aufwand und Gewicht, was bei Einsätzen in Raumfahrzeugen aber Schwierigkeiten bereitet. Bei einer Gleich stromversorgung kann die gewünschte galvanische Trennung mit einem Gleichstromwandler erzielt werden, aber eine solche Lösung ist insbesondere bei Geräten mit kleinen Abmessungen problematisch, da abgesehen vom Aufwand der Wirkungsgrad eines Gleichspannungs wandlers bei geringen Abmessungen schlecht wird.With a driver circuit for a television camera e.g. a so-called CCD color television camera with AC power supply, the gal Vanic separation on the voltage supply side in a known Be done with a suitable transformer. This but means additional effort and weight, what with operations difficulties in spacecraft. With a match power supply can provide the desired electrical isolation with a DC converters can be achieved, but such a solution is particularly problematic for devices with small dimensions, because apart from the effort the efficiency of a DC voltage converter with small dimensions becomes bad.

Neben der Entkopplung der Energieversorgung ist auch eine galva nische Trennung an den Signaleingängen und an den Signalaus gängen notwendig. Wenn bei den zu entkoppelnden Signalen keine Gleichspannungskomponenten übertragen werden müssen, dann kann diese Entkopplung in einfacher Weise mit induktiven oder kapazi tiven Bauelementen an den Ausgängen bzw. den Eingängen vorgenom men werden. Bei Signalen, deren Gleichspannungskomponente vom arithmetischen Mittelwert der Signale abweicht und auch mitüber tragen werden muß, ist dies nicht mehr in einfacher Weise durch induktive oder kapazitive Trennung möglich.In addition to decoupling the energy supply, there is also a galva African separation at the signal inputs and at the signal outputs gears necessary. If none of the signals to be decoupled DC components must then be transferred this decoupling in a simple manner with inductive or capacitive tive components at the exits or the entrances vorgenom men. For signals whose DC component is from arithmetic mean of the signals deviates and also with it must be worn, this is no longer easy inductive or capacitive separation possible.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Schaltungs anordnung für eine in bezug auf den Eingang, den Ausgang und die Spannungsversorgung galvanisch entkoppelte Treiberstufe vorzu sehen, um mit Wechselspannungssignalen überlagerte Gleichspan nungssignale störungsfrei zu übertragen. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wechselspannungssignale galvanisch entkoppelt einer Eingangsstufe zugeführt sind, die eine mit einem Gleichssspannungssignal versorgte Summierstufe ansteuert, und daß das Summensignal der Summierstufe einem Modulator zugeführt wird, dessen amplitudenmoduliertes Ausgangs signal über einen auf Nullpotential bezogenen Breitbandhoch frequenzübertrager zu einem Zweiweggleichrichter gelangt, von dessen Ausgängen das gegen Bezugspotential symmetrische Diffe renzsignal abgreifbar ist.The invention is therefore based on the object of a circuit arrangement for one in relation to the entrance, the exit and the Power supply galvanically decoupled driver stage see to DC voltage superimposed with AC signals transmission of interference signals without interference. According to the invention solved this problem in that the AC signals galvanically decoupled an input stage are supplied a summing stage supplied with a DC voltage signal drives, and that the sum signal of the summing one Modulator is fed, its amplitude-modulated output signal above a broadband high related to zero potential frequency transformer reaches a two-way rectifier from the outputs of which are the differences that are symmetrical with reference potential limit signal can be tapped.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat bei entsprechendem Abgleich ein elektrisches Verhalten, das dem eines gleichstrom gekoppelten Differenzverstärkers entspricht. Da der Ausgang dieser Schaltungsanordnung keine aktiven Bauelemente enthält, kann diese Treiberschaltung die Forderung der "Power-Isolation" erfüllen.The circuit arrangement according to the invention has the same Align an electrical behavior that that of a direct current coupled differential amplifier corresponds. Because the exit this circuit arrangement contains no active components, can this driver circuit meet the requirement of "power isolation" fulfill.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 2 bis 8 entnehmbar.Further developments and advantageous refinements of the invention can be inferred from claims 2 to 8.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläu tert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing tert. Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild für die galvanische Trennung eines Wechsel spannungssignals am Signaleingang, Fig. 1 is a circuit diagram for the electrical isolation of an alternating voltage signal at the signal input,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Treiberstufe mit galvanischer Tren nung am Ausgang, Fig. 2 is a circuit diagram of a driver stage with galvanic Tren voltage at the output,

Fig. 3 der über der angepaßten Last der Treiberstufe sich erge bende Spannungsverlauf, Fig. 3 of the above the matched load of the driver stage is erge Bende voltage curve,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild vom Ausgang der Treiberstufe gemäß Fig. 2, Fig. 4 is an equivalent circuit diagram of the output of the driver stage according to Fig. 2,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild für die erzielbare "Power-Isolation" einer CCD-Fernsehkamera und Fig. 5 is an equivalent circuit diagram for the achievable "power isolation" of a CCD television camera and

Fig. 6 eine mit konkreten Schaltelementen realisierte Treiber stufe einschließlich Spannungsversorgung. Fig. 6 a driver stage realized with concrete switching elements including power supply.

In der Darstellung nach Fig. 1 ist die Eingangsstufe 10 einer Fernsehkamera dargestellt, der über ein verdrilltes und abge schirmtes Kabel 11 externe Synchronsignale 12 zum Aufbau eines Farbfernsehsignals zugeleitet sind. Das Symbol 13 am Eingangs kabel 11 symbolisiert ein verdrilltes und abgeschirmtes Kabel von 75 Ohm. Innerhalb der Eingangsstufe 10 ist das Eingangskabel 11 mit einem auf den Wellenwiderstand des Kabels 11 bemessenen Wider stand 14 abgeschlossen und außerdem ist jede Leitung dieses Kabels 11 über je einen Kondensator 15, 16 auf einen Eingang eines Diffe renzverstärkers 17 geschaltet. Zwei antiparallele Reihenschaltun gen 18, 19 jeweils zweier Dioden überbrücken die Eingänge des Dif ferenzverstärkers 17 und verhindern damit Überspannungen. Außer dem ist jeder Eingang des Differenzverstärkers 17 über einen Widerstand 20, 21 auf ein kamerainternes Bezugspotential von Null Volt geschaltet. Das über die Signaleingänge galvanisch entkop pelte Synchronsignal wird in nicht näher dargestellter Weise in einer Summierstufe mit dem eine Gleichspannungskomponente aufwei senden Fernsehsignal zu einem als Videosignal zu übertragenden Summensignal vereinigt. In the representation of Fig. 1, the input stage 10 of a television camera is shown, the external synchronizing signals 12 are supplied via a twisted and shielded cable 11 to build up a color television signal. The symbol 13 on the input cable 11 symbolizes a twisted and shielded cable of 75 ohms. Within the input stage 10, the input cable 11 is standing with a on the characteristic impedance of the cable 11 sized abutment 14 and also completed each line is connected, this cable 11 via a respective capacitor 15, 16 to one input of an amplifier Diffe Conference 17th Two antiparallel series circuits 18 , 19 each having two diodes bridge the inputs of the dif ferential amplifier 17 and thus prevent overvoltages. In addition, each input of the differential amplifier 17 is connected to a camera-internal reference potential of zero volts via a resistor 20 , 21 . The galvanically decoupled via the signal inputs synchronized signal is combined in a manner not shown in a summing stage with the television signal having a DC voltage component to form a sum signal to be transmitted as a video signal.

Die erfindungsgemäße Ankopplungg der Synchronsignale ist beson ders für Farbfernsehkameras geeignet, die mit externen Synchron signale betrieben werden. Eine so betreibbare und insbesondere als sog. CCD-Kamera aufgebaute Kamera eignet sich vornehmlich für Einsätze in der Raumfahrt, weil diese Kamera hinsichtlich ihrer Abmessungen und der Stromaufnahme klein gehalten werden kann. Außerdem kann eine solche Kamera über einen ungeregelten Gleich spannungsversorgungs-Bus von 28 Volt versorgt werden.The coupling of the synchronization signals according to the invention is special suitable for color TV cameras with external sync signals are operated. So operable and in particular As a so-called CCD camera, the camera is primarily suitable for Uses in space because this camera in terms of their Dimensions and power consumption can be kept small. In addition, such a camera can have an unregulated match voltage supply bus can be supplied by 28 volts.

Damit die Forderung nach kleinen Abmessungen erfüllt werden kann, ist es zweckmäßig neben der galvanischen Entkopplung am Eingang der Synchronsignale auch den Videoausgang der Kamera galvanisch zu entkoppeln. In Fig. 2 ist daher eine Schaltungsanordnung einer Treiberstufe 24 gezeigt, welche ein galvanisch entkoppeltes Vi deosignal über ein verdrilltes und abgeschirmtes Ausgangskabel 25 auf eine zu versorgende Last 26 schaltet. Diese auch als Hüllkur ventreiber zu bezeichnende Treiberschaltung 24 besteht aus einem eingangsseitigen Amplitudenmodulator 27 mit einer Trägerfrequenz im Bereich von 60 MHz bis 100 MHz. Das Ausgangssignal des Ampli tudenmodulators 27 ist dann über einen Breitbandhochfrequenzver stärker 28 auf einen Primärkreis, bestehend aus einem Trimmerkon densator 29 und einer Primärspule 30, auf ein kamerainternes Bezugspotential von Null Volt geschaltet. Der Primärkreis ist breitbandig und mit dem Trimmerkondensator 29 auf die Trägerfre quenz des Amplitudenmodulators 27 abgleichbar. Mit dem Primär kreis ist über einen verstellbaren Spulenkern 31 eine mit einer Mittelanzapfung an Masse liegende Sekundärspule 32 gekoppelt, dessen Enden mit den Eingängen eines bekannten Zweiweggleich richters 33 verbunden sind. Die einzelnen Zweige des Zweiweg gleichrichters enthalten jeweils eine Reihenschaltung zweier Dioden und die beiden Ausgänge des Zweiweggleichrichters 33 sind durch einen Kondensator 34 zum Absieben der Hochfrequenz über brückt. Von den beiden Ausgängen des Zweiweggleichrichters 33 führt je ein Widerstand 35, eine einstellbare HF-Drossel 36 und ein Durchführungskondensator 37 zum Ausgangskabel 25. Die gesamte Treiberschaltung ist abgeschirmt und bei entsprechendem Abgleich entspricht das elektrische Verhalten dieser Schaltung der eines gleichstromgekoppelten Differenzverstärkers nach Fig. 4.So that the requirement for small dimensions can be met, it is advisable to galvanically decouple the video output of the camera in addition to the galvanic decoupling at the input of the synchronization signals. Therefore, in FIG. 2 is a circuit diagram of a driver stage 24 is shown, which switches a galvanically decoupled Vi deosignal over a twisted and shielded output cable 25 to a load 26 to be supplied. This driver circuit 24 , also referred to as an envelope valve driver, consists of an input-side amplitude modulator 27 with a carrier frequency in the range from 60 MHz to 100 MHz. The output signal of the amplitude modulator 27 is then via a broadband high-frequency amplifier 28 to a primary circuit, consisting of a trimmer capacitor 29 and a primary coil 30 , connected to an internal reference potential of zero volts. The primary circuit is broadband and can be compared with the trimmer capacitor 29 to the carrier frequency of the amplitude modulator 27 . With the primary circuit is coupled via an adjustable coil core 31 with a center tap to ground secondary coil 32 , the ends of which are connected to the inputs of a known two-way rectifier 33 . The individual branches of the two-way rectifier each contain a series connection of two diodes and the two outputs of the two-way rectifier 33 are bridged by a capacitor 34 for screening the high frequency. A resistor 35 , an adjustable RF choke 36 and a feedthrough capacitor 37 each lead from the two outputs of the two-way rectifier 33 to the output cable 25 . The entire driver circuit is shielded and, with a corresponding adjustment, the electrical behavior of this circuit corresponds to that of a DC-coupled differential amplifier according to FIG. 4.

Damit dieses elektrische Verhalten erreicht wird, ist es notwendig die Widerstände 35 am Ausgang des Zweiweggleichrichters 33 auf den halben Wert des Lastwiderstandes 26 zu bemessen, z.B. 37,5 Ohm bzw. 75 Ohm. HF-Reste werden durch die Tiefpässe 36, 37 ausgefil tert. Außerdem muß der Breitbandhochfrequenzübertrager 30, 32 auf Symmetrie abgeglichen werden und der Modulationgrad des Amplitu denmodulators 27 muß so eingestellt werden, daß während des Zeit intervalls der Synchronimpulse die Schaltspannung der Diodenrei henschaltungen im Zweiweggleichrichter 33 erreicht wird. Hier durch wird, wie in Fig. 3 dargestellt, erreicht, daß die Syn chronimpulse auf Null Volt liegen. Der Weißpegel von 1 Volt (Spitze-Spitze) kann durch entsprechende Einstellung der Endstufe im Hochfrequenzverstärker 28 eingestellt werden. Da die Sekundär seite der Treiberstufe keine aktiven Bauelemente enthält, kann diese eingesetzt werden um die Forderung nach "Power-Isolation" zu erfüllen.In order for this electrical behavior to be achieved, it is necessary to dimension the resistors 35 at the output of the two-way rectifier 33 to half the value of the load resistor 26 , for example 37.5 ohms or 75 ohms. RF residues are filtered out through the low-pass filters 36 , 37 . In addition, the broadband high-frequency transmitter 30 , 32 must be balanced for symmetry and the degree of modulation of the Amplitude denmodulators 27 must be set so that the switching voltage of the diode series circuits in the two-way rectifier 33 is reached during the time interval of the synchronizing pulses. This is achieved, as shown in Fig. 3, that the syn chronimpulse are at zero volts. The white level of 1 volt (peak-peak) can be adjusted by setting the output stage in the high-frequency amplifier 28 accordingly. Since the secondary side of the driver stage contains no active components, it can be used to meet the requirement for "power isolation".

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Eingangsschaltung 10 nach Fig. 1 sowie der Treiberschaltung 24 nach Fig. 2 in einer CCD-Fernseh kamera 40 gemäß Fig. 5 bietet die Möglichkeit auf einen Gleich spannungswandler zu verzichten und die Spannungsversorgung von einem ungeregelten Versorgungsbus über einen Spannungsregler 41 vorzunehmen. Die gewünschte "Power-Isolation" wird dabei durch kapazitive Entkopplung am Eingang der externen Synchronsignale, induktive Entkopplung am Ausgang der Treiberstufe und eine Stabi lisation der Versorgungsspannung mit dem Spannungsregler 41 er zielt. Die Rückleitung der Versorgungsspannung ist dabei auf die Signalbezugsspannung von Null Volt bezogen und das Kameragehäuse bildet das Massebezugspotential. The use of the input circuit 10 according to the invention according to FIG. 1 and the driver circuit 24 according to FIG. 2 in a CCD television camera 40 according to FIG. 5 offers the possibility of dispensing with a DC voltage converter and to supply the voltage from an unregulated supply bus via a voltage regulator 41 . The desired "power isolation" is achieved by capacitive decoupling at the input of the external synchronous signals, inductive decoupling at the output of the driver stage and stabilization of the supply voltage with the voltage regulator 41 . The return line of the supply voltage is related to the signal reference voltage of zero volts and the camera housing forms the ground reference potential.

Fig. 6 zeigt die schaltungstechnischen Einzelheiten der gesamten Treiberstufe 24 vom mit einem integrierten Schaltkreis aufgebauten Amplitudenmodulator 27 über den eine einstellbare Endstufe 28′ aufweisenden HF-Verstärker 28 bis zu der über das verdrillte und abgeschirmte Kabel 25 versorgten Last 26. Fig. 6 shows the circuit details of the entire driver stage 24 from the built with an integrated circuit amplitude modulator 27 via an adjustable output stage 28 'having RF amplifier 28 to the supplied via the twisted and shielded cable 25 load 26th

Claims

1. Circuit arrangement for a galvanically decoupled th differential output driver stage for the transmission of superimposed with AC signals analog DC voltage signals, characterized in that the AC signals are galvanically decoupled an input stage ( 10 ) which controls a summing stage supplied with a DC signal, and that the summation signal of the summing stage is fed to a modulator ( 27 ), the output signal of which on the amplitude-modulated signal reaches a two-way rectifier ( 33 ) via a broadband high-frequency transmitter ( 29 ... 32 ), the differential signal of which is symmetrical with respect to the reference potential.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the output lines of the two-way rectifier ( 33 ) each have a half-value of the output impedance from dimensioned resistance ( 35 ), each of which has an adjustable RF choke ( 36 ) and a feedthrough capacitor ( 37 ) are connected downstream.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the broadband high-frequency transmitter ( 29..32 ) consists of a with a trimmer capacitor ( 29 ) from the same primary coil ( 30 ), which has an adjustable coil core ( 31 ) with a secondary coil ( 32 ) is coupled, and that the ends of the secondary coil ( 32 ) with a center tap with respect to reference potential (ground) are at the inputs of the two-way rectifier ( 33 ).

4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the branches of the two-way rectifier ( 33 ) each have a series connection of two diodes, and that the degree of modulation in the amplitude modulator ( 27 ) is set such that during the time interval of the AC signal originating summing signal, the switching voltage of the diode series circuit is reached.

5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the amplitude modulator ( 27 ) and the broadband high-frequency transmitter ( 29..32 ) a high-frequency amplifier ( 28 ) is connected, the output stage ( 28 ') an adjustment of the demodulated sum signal allows a reference value of 1 volt (peak-peak).

6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the through-through capacitors ( 37 ) from one of the modulator ( 27 ), the high-frequency amplifier ( 28 ), the broadband high-frequency transformer ( 29..32 ) and the two-way rectifier ( 33 ) receiving shielded housing led out outputs with a twisted and shielded cable ( 25 ) are fed to the consumer ( 26 ).

7. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the input stage ( 10 ) fed with the AC voltage signal from a differential amplifier ( 17 ) with the input bridging series circuits ( 18 , 19 ) two antiparallel diodes and by capacitors ( 15 , 16 ) galvanically decoupled Inputs.

8. Circuit arrangement according to claim 1 or 7, characterized in that the twisted and shielded th input lines ( 11 ) of the input stage ( 10 ) with a dimensioned on the line impedance resistor ( 14 ) before the decoupling capacitors ( 15 , 16 ) are completed.