DE4214350C1 - Detector circuit for rectification of HF signals - uses operation amplifier with counter coupling branches for suppression of temp. drift and small signal distortions - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektorschaltung zum Gleichrichten hochfrequenter Signale unter Verwendung einer Gleichrichterschaltung, welcher ein Operationsverstärker nachgeschaltet ist.

Aus der DE 21 08 709 C3 ist eine solche Detektorschaltung als Amplituden-Demodulator für geträgerte Hochfrequenzsignale (Hüllkurvendetektor) bekannt. Im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers ist dort eine Diode vorgesehen, die der Diode zur Gleichrichtung des Hochfrequenzsignals entspricht. Zur Korrektur von Diodenstreuungen ist ein Abgleichwiderstand im Gegenkopplungszweig zur Verstärkungssteuerung vorgesehen. Mit dieser Detektorschaltung ist eine Demodulation auch schwacher Signale im linearen Bereich der Diode möglich. Außerdem sind insbesondere bei schwachen Signalen Temperatureffekte kompensiert.

Aus US PS 40 00 472 ist ein Hüllkurvendetektor mit einem Temperaturkompensationsnetzwerk bekannt. Im Kompensationsnetzwerk sind Dioden vorgesehen, die mit den gleichen Strömen beaufschlagt werden, wie die Dioden im Gleichrichternetzwerk. Sowohl Temperaturkompensationsnetzwerk als auch Hüllkurvendetektor werden von einem Vorspannungsnetzwerk gespeist, das dafür sorgt, daß Detektor und Kompensationsschaltung im linearen Bereich arbeiten. Ein Differenzverstärker in Form eines Operationsverstärkers erhält an seinen Differenzeingängen das Kompensationssignal und das Ausgangssignal des Hüllkurvendetektors.

Die EP 3 66 264 A2 offenbart einen Amplitudendetektor mit hohem Signal-zu-Rauschabstand. Dieser Amplitudendetektor ist in Gegentaktschaltung mit gleichartigen Eintaktgleichrichterkreisen aufgebaut, die mit Scheinwiderstandsnetzwerken abgeschlossen sind. Durch geeignete Vorspannungen werden die Dioden erst bei vorgegebenen Phasenwinkeln des gleichzurichtenden Signals leitend. Mit diesen Maßnahmen kann das Signal-zu- Rauschverhältnis des Amplitudendetektors optimiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es die Detektorschaltung eingangs genannter Art so auszubilden, daß sie für verrauschte Signale verwendbar ist, ohne daß sich Temperatureffekte nachteilig auswirken. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Der Anspruch 12 zeigt eine vorteilhafte Verwendung auf und die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Ausbildungen der Detektorschaltung auf. Die Ausbildung gemäß Anspruch 4 hat den Vorteil, daß am Ausgang der Detektorschaltung kein verfälschtes Signal erscheinen kann, wenn beispielsweise kein gleichzurichtendes Signal am Eingang anliegt. Oberhalb einer Offsetschwelle ist in jedem Falle Betrieb im linearen Kennlinienbereich gewährleistet.

Die Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Spitzen­ spitzen-Gleichrichtung von gescrambelten Datensignalen, die aus PN-Folgen bestehen und eine sehr hohe Datenrate, z. B. 50 MBit/s, aufweisen. Die Detektorschaltung nach der Erfindung ist geeignet, ausgangsseitig einen DC-Wert zu liefern, der exakt dem Spitzen-Spitzen-Wert des gleichzurichtenden hochfrequenten Signals entspricht. Die Schaltung ist so aufgebaut, daß die dem Nutzsignal überlagerten Rauschanteile die Spannung am Ladekondensator der Detektorschaltung nicht wesentlich verfälschen. Ein im Gegenkopplungszweig vorgesehener Ladekondensator, der dem Ladekondensator im Detektorkreis entspricht, dient zur HF-mäßigen Abblockung des Gegenkopplungseingangs des Operationsverstärkers. Außerdem trägt dieser Kondensator zur Stabilität der Detektorschaltung (Unterdrückung unerwünschter Schwingungen) bei.

Die Realisierung gemäß der Erfindung ermöglicht eine exakte Nachführung des Stromes durch die Diode/n im Gegenkopplungszweig in Abhängigkeit vom gleichzurichtenden hochfrequenten Signal und kompensiert damit Temperaturgänge der Detektorkennlinie/n der Diode/n zur Gleichrichtung des hochfrequenten Signals. Außerdem ergibt sich eine Kompensation der Diodenspannung/en UD, was zur Linearisierung des Ausgangssignals über einen großen Dynamikbereich führt.

Anhand der Zeichnung wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

In der Figur wird das gleichzurichtende hochfrequente Datensignal an den Klemmen 1 bis 2 zugeführt. Die Klemme 1 ist auf Massepotential gelegt. Die Klemme 2 führt über die Serienschaltung bestehend aus einem ersten Ladekondensator C2 und zugehörigem Ladewiderstand R3 zum Punkt 3, der den Verbindungspunkt zweier in Serie geschalteter Dioden D1, D2 bildet. Die erste dieser Dioden D1 ist anodenseitig über den Spannungsteiler R1, R2 mit einer Versorgungsspannung UV von beispielsweise + 5V beaufschlagt. Zwischen Anode der Diode D1 und Masse befindet sich der Ladekondensator C1. Die Kathode der zweiten Diode D2 führt zum Kondensator C3 der Detektorschaltung und zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP. Dem Kondensator C3 ist ein Entladewiderstand R4 parallel geschaltet. Die Gleichrichterschaltung ist als Villard-Schaltung (vgl. Tietze/Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 2. Auflage, 1971, Seite 35) ausgebildet. Somit ist der Kondensator C3 der eigentliche Ladekondensator der Gleichrichterschaltung GL. Die Gleichrichterschaltung GL ist als Spitzen-Spitzen- Gleichrichterschaltung für das zugeführte ungeträgerte Datensignal ausgebildet. Damit am Ladekondensator C3 keine wesentlichen Verfälschungen durch dem Datensignal überlagerte Rauschanteile entstehen, ist die Gleichrichterschaltung GL folgendermaßen dimensioniert:

C2 ≃ C3 und
3 R3 R4 < R3.

Diese Dimensionierung der Gleichrichterschaltung hat natürlich auch Auswirkung auf die nachfolgend beschriebene Kompensation und wirkt mit dieser vorteilhaft zusammen.

Der Operationsverstärker OP, der natürlich auch als herkömmlicher Differenzverstärker ausgebildet sein kann, weist einen ersten Gegenkopplungszweig GK1 auf, der eine der Gleichrichterschaltung GL entsprechende Schaltung enthält. Der Operationsverstärker verarbeitet nur niederfrequente Signale und muß daher keinen speziellen Anforderungen bezüglich Bandbreite genügen. Die den Dioden D1, D2 entsprechenden Dioden D3, D4 sind in Serie zu einem Abgleichelement - Abgleichwiderstand RA - geschaltet. Die Dioden D1, D3 sowie D2, D4 sind paarweise auf gleiche Kennlinien ausgesucht und gegebenenfalls thermisch miteinander gekoppelt. Der Ladekondensator C3 findet seine Entsprechung im Ladekondensator C4 (C3 = C4). Ebenso entsprechen sich deren Ent­ ladewiderstände R4, R5 (R4 = R5). Mit dem Abgleichwiderstand RA wird die Signalgegenkopplung am Operationsverstärker OP so eingestellt, daß die Ausgangsspannung UA des Operationsverstärkers OP exakt dem Spitzen-Spitzenwert des gleichzurichtenden hochfrequenten Datensignals entspricht. Mit der vorgestellten Schaltung lassen sich noch Datensignale auswerten, die nur etwa 1,58× höhere Amplitudenwerte aufweisen als die überlagerten Rauschanteile, ohne daß Temperaturdriften oder Kleinsignalverhalten zu wesentlichen Signalverfälschungen führen.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist mit einem Tiefpaß (R11, C7) beschaltet, an dessen Ausgang das gleichgerichtete Signal zur Weiterverarbeitung bereitsteht. Um zu verhindern, daß der Ausgang des Operationsverstärkers OP verfälschte Signale liefert, wenn z. B. kein gleichzurichtendes Datensignal am Eingang anliegt, ist ein zweiter Gegenkopplungszweig GK2 vorgesehen, in den der Tiefpaß R11, C7 einbezogen ist. Der zweite Gegenkopplungszweig weist einen Operationsverstärker OP2 mit nachgeschaltetem Spannungsteiler R9, R10 auf. Der Spannungsteiler R9, R10 wird so eingestellt, daß im Offsetspannungsbereich des Operationsverstärkers OP kein Ausgangssignal erscheint. Fehlt also das Eingangssignal oder würde eine negative Ausgangsspannung am Operationsverstärker OP erscheinen - die Dioden D3, D4 wären dann gesperrt - wird über den zweiten Gegenkopplungszweig GK2, das Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP so verändert, daß diese Offsetspannung ausregelbar ist.

Gegebenenfalls können die Dioden D1, D2, D3, D4 zusätzlich vorgespannt werden, insbesondere zur Steigerung der Empfindlichkeit für kleine Signalamplituden.

Die erfindungsgemäße Dimensionierung des Ladekondensators C3 mit zugehörigem Entladewiderstand R4 verhindert, daß der Ladekondensator C3 durch Rauschspitzen wesentlich aufgeladen wird.

Der Abgleichwiderstand RA wird so eingestellt, daß die Gleichspannung UA am Ausgang des Operationsverstärkers OP gleich der Spitzen-Spitzen-Amplitude des gleichzurichtenden Eingangssignals ist. In diesem Fall sind Linearisierung und Temperaturkompensation optimal.

Claims (12)

1. Detektorschaltung zum Gleichrichten hochfrequenter Signale unter Verwendung einer Gleichrichterschaltung (GL), welcher ein Operationsverstärker (OP) nachgeschaltet ist, wobei im Gegenkopplungszweig (GK1) des Operationsverstärkers (OP) eine Nachbildung (D3, D4, C4, R5) der Gleichrichterschaltung (GL) mit zugehörigen ohmschen und kapazitiven Elementen (C4, R5) vorgesehen ist und wobei der Ladekondensator (C3) der Gleichrichterschaltung (GL) in seiner Kapazität so gewählt ist wie die Kapazität jenes Kondensators (C2), über den das gleichzurichtende hochfrequente Signal zugeführt wird.

2. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (GL) als Villard-Schaltung (D1, D2, C2, R3, C3, R4) ausgebildet ist.

3. Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig des Operationsverstärkers (OP) ein Abgleichelement (RA) vorgesehen ist, mittels dessen das Ausgangssignal des Operationsverstärkers (OP) auf einen Pegel einstellbar ist, der dem Pegel des gleichzurichtenden Hochfrequenzsignals entspricht.

4. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (OP) einen weiteren Gegenkopplungszweig (GK2) aufweist, der so aufgebaut ist, daß im Offsetspannungsbereich des Operationsverstärkers (OP) kein Ausgangssignal am Operationsverstärker (OP) erscheint.

5. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichterschaltung (GL) aus zwei in Serie geschalteten Dioden (D1, D2) besteht, von denen die erste Diode (D1) eingangsseitig an eine Versorgungsspannungsquelle (UV) angeschlossen ist und die zweite Diode (D2) zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) geführt ist, daß der gemeinsame Verbindungspunkt letzterer Dioden (D1, D2) über eine Serienschaltung, bestehend aus dem Kondensator (C2) mit zugehörigem Ladewiderstand (R3) mit dem gleichzurichtenden Signal beaufschlagbar ist, daß der zweiten Diode (D2) ausgangsseitig im Querzweig der Ladekondensator (C3) mit parallelgeschaltetem Entladewiderstand (R4) nachgeschaltet ist und daß für die Lade- bzw. Entladewiderstände folgende Bedingungen gewählt sind: 3 R3 R4 < R3.R3 = Widerstandswert des Ladewiderstandes und R4 = Widerstandswert des Entladewiderstandes.

6. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungszweig (GK1) in seinem Längszweig die Serienschaltung eines/des Abgleichelementes (RA) und zweier Dioden (D3, D4) aufweist und in seinem am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) gelegenen Querzweig einen Ladekondensator (C4) mit parallel geschaltetem Entladewiderstand (R5).

7. Detektorschaltung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte und die entsprechenden Kapazitätswerte der Ladekondensatoren (C3, C4) und der Entladewiderstände in den jeweiligen Querzweigen etwa gleich groß gewählt sind.

8. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Operationsverstärkers (OP) ein Tiefpaß (R11, C7) vorgesehen ist.

9. Detektorschaltung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiefpaß (R11, C7) Bestandteil des weiteren Gegenkopplungszweiges ist.

10. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Gegenkopplungszweig einen Spannungsteiler (R9, R10) aufweist, der so eingestellt ist, daß eine Polaritätsumkehr der Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP) verhindert werden kann.

11. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden der Gleichrichterschaltung (GL) und des Gegenkopplungszweiges (GK1) vom gleichen Typ, paarweise aussortiert und/oder thermisch gekoppelt sind.

12. Verwendung der Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Spitzengleichrichtung von gescrambelten Datensignalen, die insbesondere einen hohen Rauschanteil und/oder eine hohe Bitrate aufweisen.