DE3738771A1 - Amplifying device for unipolar pulse-shaped signals having a duty ratio of less than 0.5 - Google Patents

Amplifying device for unipolar pulse-shaped signals having a duty ratio of less than 0.5

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Abstract

Pulses with maximum edge steepness have previously been amplified with the aid of elaborate wideband amplifiers. The novel, very simple amplifier arrangement, in contrast, allows an amplification up to twice the original pulse amplitude to be achieved, the maximum amplified frequency components of the signal being located within the range of the transit frequency of the transistor used. The unipolar pulses of a generator (1) fed in on a radio-frequency line (4) generate a current pulse across the very small input impedence of a transistor (5). At the output end of the transistor (5), a voltage pulse is generated across a load resistor or a second radio-frequency line (6), which pulse has twice the amplitude of the input pulse when the characteristic impedences of the two lines are the same. The reflections on the first line (4) are suppressed by a passive matching network of a diode (2) and a resistor (3). So that the return reflections do not disturb the pulse generation of the generator (1), the duty ratio must be less than 0.5. The amplifying device enables very short pulses with very steep edges, such as occur in wideband communication systems (for example optical fibre transmission links) to be amplified. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkungseinrichtung für unipolare impulsförmige Signale mit einem Tastverhältnis kleiner als 0,5.The present invention relates to a reinforcement device for unipolar pulsed signals with one Duty cycle less than 0.5.

Allgemein bekannt ist, daß ein von einem Impulsgenerator auf eine Hochfrequenzleitung mit dem Wellenwiderstand Z eingekoppelter Impuls der Amplitude u in einem Kurzschluß am Ende dieser Hochfrequenzleitung einen Kurzschlußstrom der StärkeIt is generally known that a pulse of the amplitude u, coupled from a pulse generator to a high-frequency line with the characteristic impedance Z in a short circuit at the end of this high-frequency line, produces a short-circuit current of strength

erzeugt. Die am Kurzschluß entstehenden Reflexionen sind der Amplitude des Impulses entgegengesetzt.generated. The reflections arising at the short circuit are opposite to the amplitude of the pulse.

Weiterhin ist aus der DE PS 21 22 292 eine Hochfrequenzleitungstreiberschaltung bekannt, bei der an der Einspeisungsseite der Hochfrequenzleitung als Anpassungsschaltung ein Längswiderstand vorhanden ist, dessen Wert dem Wellenwiderstand entspricht. Dieser Widerstand wird bei Einspeisung einer logischen Eins durch die Diode überbrückt. Bei dieser Hochfrequenzleitungstreiberschaltung ist dafür gesorgt, daß sowohl bei der Einspeisung einer logischen Eins, wie auch bei einer logischen Null am Eingang der Hochfrequenzleitung ein Abschluß mit dem Wellenwiderstand wirksam ist. Dabei setzt sich für den Fall der Einspeisung der logischen Eins der Wellenwiderstand im wesentlichen aus einem nur bei der Einspeisung wirksamen Kollektorwiderstand und dem Durchlaßwiderstand der Diode zusammen. Im Fall der logischen Null wird der Wellenwiderstand im wesentlichen durch den Längswiderstand gebildet. Bei dieser Schaltung geht bei der Einspeisung der logischen Eins, d. h. bei Impulseinspeisung, die Hälfte der Leistung im Abschlußwiderstand am Hochfrequenzleitungsanfang verloren. Im Hinblick auf eine spätere Verstärkung der Impulse ist dieser Leistungsverlust untragbar, da er durch eine zusätzliche Verstärkung in den nachfolgenden Stufen ausgeglichen werden muß. Bei der vorliegenden Anmeldung (Fig. 1) verbraucht die Schaltung aus dem Widerstand (2) und der Diode (3) keine Leistung beim Einkoppeln des Impulses. Furthermore, a high-frequency line driver circuit is known from DE PS 21 22 292, in which a series resistor is present on the feed side of the high-frequency line as an adaptation circuit, the value of which corresponds to the characteristic impedance. This resistance is bridged when a logic one is fed through the diode. This high-frequency line driver circuit ensures that a termination with the characteristic impedance is effective both when a logic one is fed in and when a logic zero is input at the high-frequency line. In the case of the infeed of the logic one, the characteristic impedance essentially consists of a collector resistance that is only effective during the infeed and the forward resistance of the diode. In the case of logic zero, the characteristic impedance is essentially formed by the series resistance. With this circuit, half of the power in the terminating resistor at the beginning of the high-frequency line is lost when the logic one is fed in, ie when the pulse is fed in. With regard to a later amplification of the pulses, this power loss is intolerable, since it must be compensated for by an additional amplification in the subsequent stages. In the present application ( FIG. 1), the circuit comprising the resistor ( 2 ) and the diode ( 3 ) does not consume any power when the pulse is injected.

In der DE PS 29 07 307 C2 wird eine Anordnung zum Anpassen des Hochfrequenzleitungsanfangs an den Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitung beschrieben, die impulsabhängig umgeschaltet wird, so daß während des Einkoppelns des Impulses die Hochfrequenzleitung nur mit einer im wesentlichen innenwiderstandsfreien Spannungsquelle verbunden ist. Während der Impulsdauer wird ein wellenwiderstandsrichtiger Abschlußwiderstand aktiviert, um Reflexionen zu absorbieren. Diese Einrichtung zum Anpassen des Hochfrequenzleitungsanfangs muß aktiv gesteuert werden.In DE PS 29 07 307 C2 an arrangement for adaptation the beginning of the high-frequency line to the characteristic impedance the high-frequency line described, the pulse-dependent is switched so that during coupling the pulse the radio frequency line with only one internal resistance-free voltage source connected is. During the pulse duration, a wave resistance correct Terminating resistor activated to prevent reflections to absorb. This facility for customizing the High frequency line start must be actively controlled.

Die vorliegende Erfindung (Fig. 1) verwendet dagegen die wesentlich einfachere passive Schaltung zur Anpassung des Hochfrequenzleitungsanfangs. Weiterhin besteht sie nur aus wenigen Bauteilen und ist damit preisgünstig. Es wird nur ein einziger Transistor (5) in Basisschaltung verwendet. Bei Verwendung gleicher Widerstände am Ein- und Ausgang [Hochfrequenzleitungen (4) und (6)] liegt sein Spannungsverstärkungsfaktor bei eins. Durch das Fehlen von Bauteilen, die aufgrund ihrer parasitären Kapazitäten das Schaltverhalten des Transistors beeinflussen, wird die maximale Verstärkungsbandbreite der Verstärkungseinrichtung nur durch die in Basisschaltung sehr hohe Transitfrequenz des Transistors (5) begrenzt. Damit eignet sich die vorliegende Verstärkungseinrichtung zur Auffrischung oder Verstärkung von Impulsen kürzester Flankenanstiegs- und Flankenabfallzeit.In contrast, the present invention ( FIG. 1) uses the much simpler passive circuit for adapting the beginning of the high-frequency line. Furthermore, it consists of only a few components and is therefore inexpensive. Only a single transistor ( 5 ) is used in the basic circuit. If the same resistors are used at the input and output [high-frequency lines ( 4 ) and ( 6 )], its voltage amplification factor is one. Due to the lack of components which influence the switching behavior of the transistor due to their parasitic capacitances, the maximum amplification bandwidth of the amplifying device is only limited by the very high transit frequency of the transistor ( 5 ) in the basic circuit. The present amplification device is therefore suitable for refreshing or amplifying pulses with the shortest edge rise and fall time.

An den Ausgang des Transistors (5) läßt sich eine weitere erfindungsgemäße Verstärkungseinrichtung aus den Teilen 2, 3, 4, 5, 7 und 8 anschließen, daran eine zweite usw. Durch diese Kaskadierung der Verstärkungseinrichtungen multiplizieren sich die Einzelverstärkungen.A further amplification device according to the invention consisting of parts 2, 3, 4, 5, 7 and 8 can be connected to the output of the transistor ( 5 ), a second amplification device can be connected to it. This cascading of the amplification devices multiplies the individual amplifications.

Außerdem kann die vorliegende Verstärkungseinrichtung auch zur Bestimmung der kürzestmöglichen zu verarbeitenden Impulsanstiegszeit eines Transistors verwendet werden. Bei Anlegen eines Impulses mit einer Anstiegszeit, die kürzer ist als die vom Transistor abgegebene Impulsflanke, kann mit einem genügend schnellen Oszilloskop das Impulsverhalten des Transistors gemessen werden.In addition, the present amplifying device also to determine the shortest possible to be processed Pulse rise time of a transistor used will. When applying a pulse with a rise time, which is shorter than that emitted by the transistor Pulse edge, can with a sufficiently fast oscilloscope  the pulse behavior of the transistor can be measured.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus den Unteransprüchen.The object of the invention is characterized by the Features of claim 1 solved. A practical one Further development of the invention results from the Subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der oben genannten Erfindung wird mit Hilfe der Fig. 1 erläutert:
In der Basis-Emitterstrecke des Transistors (5) fließt näherungsweise der oben beschriebene Kurzschlußstrom. Voraussetzung dafür ist erfindungsgemäß der mehrfach größere Wellenwiderstand der ersten Hochfrequenzleitung (4) im Vergleich zu dem Widerstand der Basis-Emitterstrecke des Transistors (5).An embodiment of the above-mentioned invention is explained with the aid of FIG. 1:
The above-described short-circuit current flows approximately in the base-emitter path of the transistor ( 5 ). According to the invention, this requires the wave impedance of the first high-frequency line ( 4 ) to be several times greater than the resistance of the base-emitter path of the transistor ( 5 ).

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Basis des Transistors (5) mit einer Stromquelle (gebildet aus den Teilen 7 und 8) so vorgespannt, daß der Arbeitspunkt auf dem Knick in der Kennlinie der Basis-Emitterdiode eingestellt ist. In einer praktischen Ausführung wird die Stromquelle aus einem Widerstand (7) in Serie mit einer Spannungsquelle (8) gebildet. Der Wert des Widerstands (7) sollte sehr viel größer als der Wellenwiderstand Z₁ der ersten Hochfrequenzleitung (4) sein.As shown in Fig. 2, the base of the transistor ( 5 ) is biased with a current source (formed from parts 7 and 8) so that the operating point is set on the kink in the characteristic curve of the base emitter diode. In a practical embodiment, the current source is formed from a resistor ( 7 ) in series with a voltage source ( 8 ). The value of the resistor ( 7 ) should be much larger than the characteristic impedance Z ₁ of the first high-frequency line ( 4 ).

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel der Verstärkungseinrichtung wird ein npn-Transistor verwendet. Zur Ansteuerung müssen daher negativ gerichtete unipolare Impulse in die erste Hochfrequenzleitung (4) eingespeist werden. Auf der Kollektorseite erzeugt der Transistor (5) an einer zweiten Hochfrequenzleitung (6) mit dem Wellenwiderstand Z₂ im wesentlichen eine Spannung u₂ der GrößeIn the exemplary embodiment of the amplification device described, an NPN transistor is used. Negative directional unipolar pulses must therefore be fed into the first high-frequency line ( 4 ) for control purposes. On the collector side, the transistor ( 5 ) produces on a second high-frequency line ( 6 ) with the characteristic impedance Z ₂ essentially a voltage u ₂ of size

Wird beispielsweise Z₁ gleich Z₂ gewählt, so entspricht dies einer Spannungsverdopplung der Impulsamplitude u₁. Die Reflexionen von dem sehr kleinen Eingangswiderstand des Transistors (5) dürfen erst dann am Anfang der ersten Hochfrequenzleitung (4) bei Widerstand (2) eintreffen, der Impulsgenerator (1) bereits wieder abgeschaltet ist, d. h. wenn der Impuls vollständig in die erste Hochfrequenzleitung (4) eingespeist wurde. Daraus ergibt sich die Bedingung, daß die Verzögerungszeit τ größer sein muß als die halbe Impulsdauer. Durch die Serienschaltung aus dem Widerstand (2) und der Diode (3) wird verhindert, daß der reflektierte Impuls an dem nunmehr hochohmigen Innenwiderstand des Impulsgenerators nochmals reflektiert wird.For example, if Z ₁ is chosen equal to Z ₂, this corresponds to a doubling of the voltage of the pulse amplitude u ₁. The reflections from the very small input resistance of the transistor ( 5 ) may only arrive at the resistor ( 2 ) at the beginning of the first high-frequency line ( 4 ), the pulse generator ( 1 ) is already switched off again, i.e. when the pulse is completely in the first high-frequency line ( 4 ) was fed. This results in the condition that the delay time τ must be greater than half the pulse duration. The series connection of the resistor ( 2 ) and the diode ( 3 ) prevents the reflected pulse from being reflected again at the now high-resistance internal resistance of the pulse generator.

Wählt man Z₁ ungleich Z₂, so läßt sich mit der vorliegenden Erfindung auch ein einfacher Übergang zwischen zwei Hochfrequenzleitungen mit unterschiedlichen Wellenwiderständen schaffen, ohne daß die Spannungsverluste auftreten, die bei passiven Transformationsgliedern unvermeidlich sind.If one chooses Z ₁ not equal to Z ₂, the present invention can also be used to create a simple transition between two high-frequency lines with different wave resistances without the voltage losses occurring which are inevitable in passive transformers.

Wegen des Anlaufgebiets in der Kennlinie der Diode (3) wird der wellenwiderstandsrichtige Abschluß erst bei größeren Amplituden der reflektierten Impulse wirksam. Um diesen Mangel zu beheben, wird gemäß Unteranspruch 2 die Diode (3) mit einer geringen Spannung in Leitrichtung vorgespannt, so daß sie beim Einspeisen der Impulse aus dem Impulsgenerator (1) sperrt, beim Eintreffen der reflektierten Impulse jedoch schon bei kleinen Amplituden sicher leitet und die Leitungsanpassung mit dem Widerstand (2) wirksam werden läßt. Damit wird der Einsatzbereich der Verstärkungseinrichtung auf Bereiche mit sehr kleinen Impulsamplituden erweitert.Because of the start-up area in the characteristic curve of the diode ( 3 ), the termination which is correct for the wave resistance only becomes effective when the amplitudes of the reflected pulses are larger. In order to remedy this deficiency, the diode ( 3 ) is biased with a low voltage in the guide direction so that it blocks when the pulses from the pulse generator ( 1 ) are fed in, but conducts safely even with small amplitudes when the reflected pulses arrive and the line matching with the resistor ( 2 ) takes effect. This extends the area of application of the amplification device to areas with very small pulse amplitudes.

Claims (4)

1. Verstärkungseinrichtung für unipolare impulsförmige Signale mit einem Tastverhältnis kleiner als 0,5, bestehend aus einem Impulsgenerator (1), der nach dem Einspeisen eines unipolaren Impulses hochohmig wird, an dessen Ausgang einerseits eine Serienschaltung aus einem Widerstand (2) und einer auf Massepotential gelegten Diode (3) liegt, und andererseits eine erste Hochfrequenzleitung (4) mit der Impulsverzögerungszeit τ angeschlossen ist, an deren Ende ein Transistor (5) in Basisschaltung liegt, der mit einem Widerstand oder einer zweiten Hochfrequenzleitung (6) abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit τ der ersten Hochfrequenzleitung (4) größer ist als die halbe Impulsdauer des Impulsgenerators (1) und daß der Wellenwiderstand der ersten Hochfrequenzleitung (4) sehr viel größer ist als der Eingangswiderstand des Transistors (5) und daß der Wert des Widerstands (2) zusammen mit dem Durchlaßwiderstand der Diode (3) dem Wellenwiderstand der ersten Hochfrequenzleitung (4) entspricht, wobei die Diode (3) so geschaltet ist, daß sie während des Einspeisens der unipolaren Impulse in Sperrichtung betrieben wird.1. Amplification device for unipolar pulse-shaped signals with a pulse duty factor less than 0.5, consisting of a pulse generator ( 1 ), which becomes high-impedance after feeding in a unipolar pulse, on the one hand a series circuit consisting of a resistor ( 2 ) and a ground potential placed diode ( 3 ), and on the other hand a first high-frequency line ( 4 ) with the pulse delay time τ is connected, at the end of which a transistor ( 5 ) is connected in the base circuit, which is terminated with a resistor or a second high-frequency line ( 6 ), characterized in that the delay time τ of the first high-frequency line (4) is greater than half the pulse duration of the pulse generator (1) and that the characteristic impedance of the first high-frequency line (4) is very much greater than the input resistance of the transistor (5) and that the value of the resistor ( 2 ) together with the forward resistance of the diode ( 3 ) the wave resistance nd corresponds to the first high-frequency line ( 4 ), the diode ( 3 ) being switched so that it is operated in the reverse direction during the feeding of the unipolar pulses. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (3) mit einer Vorspannung betrieben wird.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the diode ( 3 ) is operated with a bias voltage. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Verstärkungseinrichtungen aus den Teilen 2, 3, 4, 5, 7 und 8 hintereinander geschaltet werden und sich im wesentlichen eine Multiplizierung der Einzelverstärkungen ergibt.3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that several reinforcement devices from parts 2, 3, 4, 5, 7 and 8 are connected in series and essentially a multiplication of the individual gains results. 4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenwiderstände der Hochfrequenzleitung (4) und der Hochfrequenzleitung (6) den unterschiedlichen Wellenwiderständen zweier angeschlossener Hochfrequenzleitungen entsprechen, und daß dadurch zwei Hochfrequenzleitungen mit unterschiedlichen Wellenwiderständen aneinander angepaßt werden.4. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the wave resistances of the high-frequency line ( 4 ) and the high-frequency line ( 6 ) correspond to the different wave resistances of two connected high-frequency lines, and in that two high-frequency lines with different wave resistances are adapted to one another.
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