DE4214971A1 - Begrenzungsverstaerker - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Begrenzungsverstärker, der wenigstens eine Verstärkerstufe zwischen einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang umfaßt, wobei die Verstärkerstufe wenigstens eine verstärkende Komponente und Lastkomponenten enthält, und der eine Ausgangssignal-Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen der maximalen Amplitude und der Verstärkung des Ausgangssignals besitzt.

Die Erfindung richtet sich auf solche Anwendungen der Signalverstärkung-Technik, bei denen es vorkommen kann, daß ein eine Verstärkung benötigendes ankommendes Signal so große Amplitudenveränderungen besitzt, daß dessen größte Amplitudenwerte außerhalb des dynamischen Bereichs eines herkömmlichen Verstärkers fallen, z. B. außerhalb des Bereichs innerhalb dessen die Verstärkung linear ist. Als ein Beispiel kann Signalübertragung über Glasfaserverbindungen erwähnt werden, wobei sich die Amplitude der optischen Signale von Verbindung zu Verbindung in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen Sender und Transmitter beträchtlich ändern kann. Um diese Veränderung beherrschen zu können, kann der Empfänger einen symmetrischen Begrenzungsverstärker enthalten.

Die Verwendung von Begrenzungsverstärkern im Zusammenhang mit Signalempfang auf optischen Glasfaserverbindungen wird z. B. in zwei Artikeln in der Zeitschrift IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. s-21, Nr. 6, Dezember 1986, mit dem Titel "Integrated Circuits for a 200-Mbit/s Fiber-Optic Link", und in Vol. sc-22, Nr. 4, August 1987, mit dem Titel "Bipolar High-Gain Limiting Amplifier IC for Uptical-Fiber Receivers Operating up to 4 Gbit/s" beschrieben.

Aus der US-Patentschrift 45 28 515 ist ein Hochfrequenz-Differenzverstärker bekannt, bei dem jedes emittergekoppelte Paar von Transistoren seine Transistoreingangsstufe besitzt, wobei der Gegenwirkleitwert der Transistoren durch eine variable Stromquelle verändert werden kann. Das Ziel ist die Bandbreite und den Dämpfungsfaktor des Differenzverstärkers ohne Verkleinerung seiner Verstärkung und seines dynamischen Bereichs zu verändern.

Aus der schwedischen Patentschrift 4 57 922 (entsprechend der EP 8 88 50 158.2) ist eine Vorrichtung zur Verwendung in einem aktiven Filter bekannt, die eine Differenzverstärkerstufe mit einem Differenzeingang und einem Differenzausgang enthält.

Die Differenzverstärkerstufe besitzt zwei Anordnungen von Komponenten zwischen einer Versorgungsspannung und einem Stromerzeuger. Die Komponenten von jeder Anordnung enthalten einerseits eine verstärkende Komponente mit einer Steuerelektrode und einem Hauptstrompfad zwischen einer ersten und einer zweiten Stromelektrode, andererseits eine erste Gruppe von in Reihe geschalteten Diodenkomponenten, die in einer Reihenschaltung mit der verstärkenden Komponente zwischen der ersten Stromelektrode und dem Stromerzeuger angeordnet ist, und andererseits wenigstens eine zweite Gruppe von in Reihe geschalteten Diodenkomponenten in Reihe oder parallel mit der Reihenschaltung. Die Steuerelektroden sind entgegengesetzt an je einen Anschluß des Differenzeingangs so angeschlossen, daß ein Unterschied zwischen den Potentialen auf den Stromelektroden mit steigender Spannung über dem Differenzeingang ansteigt. An die anderen Stromelektroden sind die verstärkenden Komponenten entgegengesetzt an je einen Anschluß des Differenzausgangs so angeschlossen, daß sich die Spannung über dem Differenzausgang mit der Differenz zwischen dem Vorwärtsspannungsabfall über den zwei verstärkenden Komponenten andert.

Der Stromerzeuger ist so angeordnet, daß er eine Tendenz aufweist, die Summe der Ströme durch die verstärkenden Komponenten konstant zu halten.

Eine allgemeine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stromverstärker der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine wohl definierte Verstärkung und eine maximale Ausgangsspannung, eine verläßliche Funktion aufweist und der leicht realisiert werden kann.

Vorzugsweise sollte der Begrenzungsverstärker mit einer Versorgungsspannung von nur 5 Volt arbeiten können und sich für die Integration in Bipolarschaltungstechniken eignen.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Begrenzungsverstärker mit den oben erwähnten Eigenschaften zum Betrieb in VHF- und UHF-Bändern zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen erfindungsgemäßen Begrenzungsverstärker, bei dem die Ausgangssignal-Begrenzungseinrichtung eine Stromsenkeneinrichtung enthält, die an den Ausgang der Verstärkerstufe angeschlossen ist und angeordnet ist, um Strom durch die Lastkomponenten zu ziehen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Begrenzungsverstärkers sind in den Unteransprüchen angegeben.

Insbesondere wird ein Begrenzungsverstärker entsprechend der Erfindung erhalten, der sich für den Betrieb in den VHF- und UHF-Bändern eignet, wenn entsprechend einem besonderen bevorzugtem Ausführungsbeispiel die Verstärkerstufe eine Differenzverstärkerstufe mit einem Differenzeingang und einem Differenzausgang ist, und zwei Stromsenkeneinrichtungen an jede der Anschlüsse des Differenzausgangs angeschlossen sind.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 ein grundlegendes, schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer einzelnen Begrenzungsverstärkerstufe entsprechend der Erfindung; und

Fig. 2 ein Schaltbild, das erläutert, wie ein Ausführungsbeispiel des Begrenzungsverstärkers entsprechend der Erfindung durch mehrere in Reihe angeordneten Verstärkerstufen nach Fig. 1 realisiert werden kann.

Fig. 1 erläutert eine Differenzverstärkerstufe mit einem Differenzeingang V_I1-V_I2 und einem Differenzausgang V_O1-V_O2 und zwei Anordnungen von Komponenten zwischen einer Versorgungsspannung V_cc und einem Stromerzeuger I_EE. In jeder Anordnung enthalten die Komponenten einerseits eine jeweilige verstärkende Komponente Q_I11 und Q_I21 mit einer Steuerelektrode und einem Hauptstrompfad zwischen einer ersten und einer zweiten Stromelektrode, andererseits eine Anzahl von invertierenden Komponenten, die in einer Reihenschaltung mit der verstärkenden Komponente zwischen der ersten Stromelektrode und dem Stromerzeuger angeordnet sind, andererseits eine Anzahl von Lastkomponenten, die mit der Reihenschaltung in Reihe angeordnet sind. Die invertierenden Komponenten bestehen aus einer jeweiligen ersten Gruppe von in Reihe geschalteten Diodenkomponenten Q_I12-Q_I1n und Q_I22-Q_I2n und die Lastkomponenten bestehen aus einer jeweiligen zweiten Gruppe von in Reihe geschalteten Diodenkomponenten Q_L11-Q_L1m und Q_L21-Q_L2m.

Insbesondere bestehen die verstärkenden Komponenten in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei ähnlichen NPN-Transistoren mit einer jeweiligen Basiselektrode b11 und b21, einer jeweiligen Emitterelektrode e11 und e21, und einer jeweiligen Kollektorelektrode k11 und k21, wobei die Elektroden die Steuerelektrode, erste Stromelektrode bzw. zweite Stromelektrode bilden. Der Hauptstrompfad besteht dementsprechend aus dem jeweiligen Kollektor-Emitterpfad k11-e11 und k21-e21. Die Diodenkomponenten sind NPN-Transistoren von derselben Art wie die verstärkenden Komponenten, wobei aber ihre Basis- und Kollektorelektroden zusammengeschaltet sind. Jede Diodenkomponente besitzt somit einen Vorwärtsspannungsabfall entsprechend der jeweiligen Basisemitterspannung V_be11 und V_be21, einer verstärkenden Komponente.

Die jeweiligen Steuerelektroden b11 und b21 der verstärkenden Komponenten sind entgegengesetzt an einen jeweiligen Anschluß V_I1 und V_I2 des Differenzeingangs angeschlossen, so daß die Differenz zwischen den Potentialen auf den Steuerelektroden mit steigender Spannung über dem Differenzeingang ansteigt. Die verstärkenden Komponenten mit ihren jeweiligen zweiten Stromelektroden k11 und k21 sind entgegengesetzt an einen jeweiligen Anschluß VN_O1 und V_O2 des Differenzausgangs angeschlossen, so daß die Spannung über dem Differenzausgang sich mit der Differenz zwischen dem Vorwärtsspannungsabfall über den zwei verstärkenden Komponenten ändert.

Der Stromerzeuger I_EE ist so angeschlossen, daß er eine Tendenz aufweist, die Summe der Ströme durch die verstärkenden Komponenten konstant zu halten.

Die oben beschriebenen Einzelheiten der Differenzverstärkerstufe aus Fig. 1 stimmen im wesentlichen mit den entsprechenden Einzelheiten von jedem der Ausführungsbeispiele von aktiven Filtern in dem oben erwähnten Dokument EP 8 88 50 158.2 überein, auf das für weitere Einzelheiten verwiesen wird.

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind nun entsprechend der vorliegenden Erfindung zwei ähnliche Stromsenken oder Stromerzeugereinrichtungen x*I_EE an jeden der Anschlüsse des Differenzausgangs angeschlossen, wobei x einen Faktor bezeichnet, der eine Konstante oder eine Variable sein kann. Die Stromsenkeneinrichtung ist angeordnet, um durch die Lastkomponenten in einer Art und Weise, die im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 2 noch näher beschrieben wird, Strom zu ziehen.

Zunächst soll darauf hingewiesen werden, daß, wenn x=0 erfüllt ist, die Schaltung aus Fig. 1 nur aus dem aus EP 8 88 50 158.2 bekannten Differenzverstärker besteht. Vorausgesetzt, daß alle Komponenten in Flußrichtung gepolt sind, wird eine lineare Gleichstrom-(DC)- Übertragungscharakteristik erhalten. Die Verstärkung wird durch die Beziehung zwischen der Anzahl von Lastkomponenten m und der Anzahl von invertierenden Komponenten n, das sogenannte Stapelverhältnis, d.h, die Verstärkung A=-m/n, bestimmt.

Es kann gezeigt werden, daß, wenn x in Fig. 1 ansteigt, die Verstärkung sowie die maximale V_UT = V_O1-V_O2 fällt. Dies bedeutet, daß die gewünschte maximale Differenzausgangsspannung einfach durch Dimensionierung von x gewählt werden kann.

Insbesondere kann gezeigt werden, daß

V_UT(max) m_*Vt_*ln [((1+x)_*IEE+Is)/(x_*IEE+Is)]

wobei
V_UT(max) = die maximale Differenzausgangsspannung;
Vt = Thermospannung äquivalent = kT/q = 26 mV bei 300 K;
Is = Sättigungsstrom.

Erhöhen der Anzahl von Dioden und verstärkenden Komponenten in jeder Reihenschaltung des Differenzverstärkers hat ein Ansteigen des dynamischen Bereichs des Verstärkers um einen entsprechenden Grad zur Folge. In dem in Fig. 1 gezeigten Basis-Verstärker ist diese Anzahl auf vier beschränkt, falls der Verstärker mit einer Versorgungsspannung von nur ungefähr 5 Volt arbeiten soll.

Eine Möglichkeit der Erweiterung des dynamischen Bereichs liegt darin, mehrere Begrenzungs-Verstärkerstufen in Reihe zu schalten. Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer derartigen Reihenschaltung, die drei Begrenzungs-Differenzverstärkerstufen F1, F2 bzw. F3, ähnlich zu dem aus Fig. 1, enthält.

Jede Verstärkerstufe enthält zwei Verstärkungskomponenten, bestehend aus jeweiligen ähnlichen NPN-Transistoren Q11 und Q12 der Stufe F1, Q21 und Q22 der Stufe F2, und Q31 und Q32 der Stufe F3. In jeder Verstärkerstufe sind die zwei verstärkenden Komponenten in jeder von zwei parallelen Anordnungen von in Reihe geschalteten Komponenten zwischen einer gemeinsamen Versorgungsspannung VCC und einem gemeinsamen Stromerzeuger enthalten, der in den jeweiligen Verstärkerstufen schematisch mit den Kollektoremitterpfad eines Transistors Q17, Q27 bzw. Q37 in Reihe mit einem Widerstand R11, R21 bzw. R31 dargestellt ist.

Die in Reihe geschalteten Komponenten enthalten in jeder Anordnung außer der verstärkenden Komponente eine invertierende Komponente und zwei Lastkomponenten, welches entsprechend der Definitionen, die im Zusammenhang mit der Beschreibung des obigen Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 enthalten sind ein Stapelverhältnis von 2 ergeben. Die invertierende Komponente besteht aus der Basisemitterdiode der entsprechenden verstärkenden Komponente, wohingegen die Lastkomponenten aus zwei Diodenkomponenten in Reihe zwischen der Versorgungsspannung VCC und der verstärkenden Komponente bestehen. Die zuletzt erwähnten Diodenkomponenten bestehen aus ähnlichen NPN-Transistoren, wobei die Basis und die Kollektorelektroden zusammengeschaltet sind, d. h. in der Verstärkerstufe F1 die Diodenkomponenten Q13 und Q14 bzw. Q15 und Q16, in der Verstärkerstufe F2 die Diodenkomponenten Q23 und Q24 bzw. Q25 und Q26, und in der Verstärkerstufe F3 die Diodenkomponenten Q33 und Q34 bzw. Q35 und Q36.

Die Steuerelektroden der verstärkenden Komponenten Q11 und Q12 sind entgegengesetzt an einen jeweiligen Anschluß In und des Differenzeingangs des Verstärkers angeschlossen. Der Differenzausgang der Verstärkerstufe F1 ist an den Differenzeingang der Verstärkerstufe F2 angeschlossen, deren Differenzausgang an den Differenzeingang der Verstärkerstufe F3 angeschlossen ist. Insbesondere sind jeweilige Kollektorelektroden der verstärkenden Komponenten Q11 und Q12 entgegengesetzt an die Steuerelektroden der jeweiligen verstärkenden Komponenten Q22 und Q21 angeschlossen, deren Kollektorelektroden wiederum entgegengesetzt an die Steuerelektroden der jeweiligen verstärkenden Komponenten Q32 und Q31 angeschlossen sind. Die Steuerelektroden der verstärkenden Komponenten Q31 und Q32 sind entgegengesetzt an einen jeweiligen Anschluß Ut und des Differenzausgangs des Verstärkers angeschlossen.

Die jeweilige Kollektorelektrode von jeder verstärkenden Komponente Q11, Q12, Q21, Q22, Q31, Q32 ist über eine Stromsenkeneinrichtung, bestehend aus einer Reihenschaltung von einem jeweiligen Transistor Q18, Q19, Q28, Q29, Q38 und Q39 und einem jeweiligen Widerstand R12, R13, R22, R23, R32 und R33 an Masse angeschlossen.

Zur Synchronsteuerung der Ströme durch die jeweiligen Stromerzeuger der Verstärkerstufen F1, F2, F3 sind die Steuerelektroden der jeweiligen Transistoren Q17-Q19, Q27-Q29, Q37-Q39 des letzteren in einer herkömmlichen Art und Weise gemeinsam in einer Stromspiegelschaltung mit einer Schaltung Q1, Q2, R1 angeschlossen, wobei dem Eingang davon ein Referenzstrom Iref zugeführt wird. Der Wert des Referenzstrom Iref kann konstant sein, indem er z. B., wie in Fig. 2 angedeutet, von der Versorgungsspannung VCC über einen Widerstand Rref abgeleitet wird, aber er kann auch mittels eines geeigneten Schaltungsparameters gesteuert werden, um dadurch zu ermöglichen, die Ströme durch die Stromerzeuger in Abhängigkeit von diesem Schaltungsparameter zu steuern.

Die Gesamtverstärkung und maximale Ausgangsspannung des oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebenen Begrenzungsverstärkers kann nur durch Dimensionieren des oben erwähnten Faktors x für die jeweiligen Verstärkerstufen bestimmt werden. Die Begrenzung des ankommenden Signales kann stetiger bzw. gleichförmiger ausgeführt werden, wenn die Verstärkerstufen nach steigenden x-Werten verschaltet werden. Dadurch wird die Begrenzung des ankommenden Signals allmählich durchgeführt. Beispielsweise kann der x-Wert der Stufen F1, F2, F3 als der Betrag von 0.1, 0.2 bzw. 1 gewählt werden, welches bei einem Wert von 1 kΩ der Widerstände R11, R21 und R31 einen Wert von 10 kΩ für die Widerstände R12, R13, einen Wert von 5 kΩ für die Widerstände R22, R23 und einen Wert von einem 1 kΩ für die Widerstände R32, R33 ergibt. Die letzteren Werte sind Näherungswerte, insoweit sie Veränderungen in dem Basisemitterspannungsabfall der Komponenten Q17-Q19, Q27-Q29, Q37-Q39 als Folge von Stromveränderungen nicht berücksichtigen.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Patentansprüche abgeändert werden. Somit ist auch denkbar, die Erfindung auf andere Verstärkertypen als Differenzverstärker anzuwenden.

Claims (6)

1. Begrenzungsverstärker, der wenigstens eine Verstärkerstufe zwischen einem Verstärkereingang und einem Verstärkerausgang umfaßt, wobei die Verstärkerstufe wenigstens eine verstärkende Komponente und Lastkomponenten enthält, und der eine Ausgangssignal-Begrenzungseinrichtung zum Begrenzen der maximalen Amplitude und der Verstärkung eines Ausgangssignals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignal-Begrenzungseinrichtung eine Stromsenkeneinrichtung (x_*I_EE) enthält, die an einen Ausgang (V_O1-V_O2) der Verstärkerstufe angeschlossen ist und angeordnet ist, um durch die Lastkomponenten Strom zu ziehen.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerstufe aus einer Differenzverstärkerstufe mit einem Differenzeingang (V_I2-V_I2) und einem Differenzausgang (V_O1-V_O2) besteht, und zwei Stromsenkeneinrichtungen (x_*I_EE) an jeden der Differenzausgänge angeschlossen sind.

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsenkeneinrichtung (x_*I_EE) angeordnet ist, um gleiche Ströme abzuleiten.

4. Verstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzverstärkerstufe von einem an sich bekannten Typ mit zwei Anordnungen von Komponenten zwischen einer Versorgungsspannung (V_cc) und einem Stromerzeuger (I_EE) ist, wobei die Komponenten von jeder Anordnung enthalten:
einerseits eine verstärkende Komponente (Q_I11, Q_I22) mit einer Steuerelektrode (b11, b21) und einem Hauptstrompfad zwischen einer ersten (e11, e21) und einer zweiten Stromelektrode (k11, k21);
andererseits eine erste Gruppe von in Reihe geschalteten Diodenkomponenten (Q_I12-Q_1n, Q_I22-Q_I2n), die mit der verstärkenden Komponente zwischen der ersten Stromelektrode (e11, e21) und dem Stromerzeuger (I_EE) in einer Reihenschaltung verbunden sind; und
andererseits wenigstens eine zweite Gruppe von in Reihe geschalteten Diodenkomponenten (Q_L11-Q_L1m, Q_L21-Q_L2m) in Reihe oder parallel mit der Reihenschaltung;
wobei die Steuerelektroden (b11, b12) entgegengesetzt an einen jeweiligen Anschluß des Differenzeingangs so angeschlossen sind, daß die Differenz zwischen den Potentialen auf den Steuerelektroden mit steigender Spannung über dem Differenzeingang ansteigt, und
die verstärkenden Komponenten an den anderen Stromelektroden (k11, k21) entgegengesetzt an einen jeweilligen Anschluß des Differenzausgangs so angeschlossen sind, daß sich die Spannung des Differenzausgangs mit der Differenz (V_be11-V_b21) zwischen dem Vorwärtsspannungsabfall über den zwei verstärkenden Komponenten ändert; und
der Stromerzeuger (I_EE) so angeordnet ist, daß er eine Tendenz aufweist, die Summe der Ströme durch die verstärkenden Komponenten konstant zu halten.

5. Verstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere mit Stromsenkeneinrichtungen in Reihe geschaltete Verstärkerstufen (F1, F2, F3) enthält.

6. Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Stromsenkung durch die Lastkomponenten für jede der ersten Verstärkerstufe folgenden Verstärkerstufe nacheinander erhöht.