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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der
US 4868520 ist eine
Hochfrequenzverstärkeranordnung
bekannt, die eine Anzahl von Einzelverstärkern aufweist, die parallel
geschaltet sind, um eine gewünschte
Ausgangsleistung der Anordnung zu erreichen. Die Anordnung umfasst
ferner eine Regelung, die gleiche Verstärkungsfaktoren für alle Einzelverstärker gewährleistet.
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Die
DE 2825882 C3 beschreibt
eine Schaltungsanordung zur Reduzierung niederfrequenter Störspannung
und Offsetspannung bei einer Verstärkerspannung.
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In
TIETZE, U.; SCHENK, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 3. Aufl.,
Berlin [u.a.]; Springer, 1974, S. 277-282 sind Beispielschaltungen
für Analogmultiplizierer
offenbart.
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Es
ist allgemein bekannt, daß bei
hohen Anforderungen an Signalverarbeitungsstufen, wie beispielsweise
Verstärker,
Multiplizierer sowie anderen komplexen Schaltungen, diese zumindest
hin und wieder abgeglichen werden müssen. Dabei werden beispielsweise
bei einem Verstärker
zwei Arten von Fehlern korrigiert. Zum einen der Offset und zum
anderen der Verstärkungsfaktor.
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Während eines
solchen Abgleichvorganges müssen
an den Eingang der betreffenden Signalverarbeitungssstufe vorgegebene
Signale angelegt werden. Dadurch steht sie während dieser Zeit nicht für den üblichen
Betrieb zur Verfügung.
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Es
ist denkbar, zwei Verstärkerstufen
zu verwenden und diese derart zu schalten, dass entweder die eine
oder die andere der Verstärkerstufen
für einen „normalen" Verstärkerbetrieb
und die jeweils andere Verstärkerstufe
für einen
Abgleich zur Verfügung
steht. Dafür
ist jedoch ein schnelles Schaltelement erforderlich, damit es zu
keinen Aussetzern beim Verstärkerbetrieb
kommt. Insbesondere bei schnellen Schaltvorgängen treten jedoch vermehrt Schaltstörungen,
wie beispielsweise Knackgeräusche,
auf. Sollen diese weitestgehend vermieden werden, sind aufwendige
und teure Schaltelemente erforderlich.
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Die
US 4829263 schlägt zur Vermeidung
von Knackgeräuschen
beim Umschalten eine Schaltungsordnung vor, die vor dem Umschalten
das Eingangssignal an zwei abwechselnd arbeitende Verstärker anlegt,
so dass der jeweils abgeglichene Verstärker vor dem Umschalten einen
eingeschwungenen Zustand einnehmen kann. Erst dann werden die Ausgänge umgeschaltet.
Das Auftreten von Schaltgeräuschen
kann damit jedoch nicht völlig
ausgeschlossen werden.
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Somit
besteht bei bekannten Signalverarbeitungsstufen nicht die Möglichkeit
sie während
eines länger
andauernden Verstärkerbetriebs
abzugleichen.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Signalverarbeitungsschaltung
derart weiterzuentwickeln, daß ein
Abgleich auch während
eines „normalen" Signalverarbeitungsbetriebs
möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Signalverarbeitungsschaltung nach dem Anspruch 1.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Im
folgenden wird die Erfindung hauptsächlich anhand von Verstärkermitteln
erläutert.
Es sei jedoch an dieser Stelle daraufhingewiesen, daß die Erfindung
bei vielen anderen Signalverarbeitungsstufen, wie beispielsweise
Multiplizierer, Addierer, Subtrahierer, Quadrierer und anderen komplexen
Schaltungen, anwendbar ist.
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Der
erfindungsgemäßen Lösung liegt
die Erkenntnis zugrunde, daß bei
der Verstärkung
von Strom-Eingangssignalen sich bei Verwendung mehrerer Verstärkerstufen
mit gleichem Eingangswiderstand die Eingangsströme gleichmäßig aufteilen auf die einzelnen
Verstärkerstufen.
Das Ausgangssignal, das ebenfalls als Stromsignal ausgebildet ist,
setzt sich aus den Ausgangsströmen
der einzelnen Verstärkerstufen
zusammen.
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Wird
nur eine Verstärkerstufe
für den
normalen Verstärkerbetrieb
verwendet, so wird der gesamte Strom des Eingangssignals dem Eingang
dieser Verstärkerstufe
eingeprägt,
welche ein Ausgangssignal mit einem entsprechend hohem Stromwert
erzeugt.
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Soll
ein Spannungssignal verstärkt
werden, so liegt bei Verwendung mehrerer Verstärkerstufen an deren Eingängen jeweils
die gleiche Eingangsspannung an. Die an den Ausgängen der Verstärkerstufen
jeweils anliegenden Signale werden über Entkoppelwiderstände zu weiterverarbeitenden
Stufen geleitet.
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Auch
bei der Verarbeitung von Spannungssignalen behält das Ausgangssignal im wesentlichen den
gleichen Wert bei, unabhängig
davon, ob eine oder mehrere Verstärkerstufen verwendet werden.
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Der
erfindungsgemäße Abgleich
von Signalverarbeitungsstufen hat besonders bei Systemen, wie bei
einem Compact Disc (CD) Spieler, einen besonderen Vorteil, wo eine
Signalverarbeitungseinrichtung über
einen Längeren
Zeitraum jederzeit betriebsbereit sein muß.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in den
folgenden Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung erläutert.
Dabei zeigen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel
zur Verstärkung
von Stromsignalen;
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2:
symbolisch ein zweites Ausführungsbeispiel
zur Ver stärkung
von Spannungssignalen.
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Bevor
auf die Beschreibung der Ausführungsbeispiele
näher eingegangen
wird, sei darauf hingewiesen, daß die in den Figuren einzeln
dargestellten Blöcke
lediglich zum besseren Verständnis der
Erfindung dienen. üblicherweise
sind einzelne oder mehrere dieser Blöcke zu Einheiten zusammengefaßt. Diese
können
in integrierter oder Hybridtechnik oder als programmgesteuerter
Rechner, bzw. als Teil eines zu seiner Steuerung geeigneten Programmes
realisiert sein.
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Die
in den einzelnen Stufen enthaltenen Elemente können jedoch auch getrennt ausgeführt werden.
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1 zeigt
eine Verstärkereinrichtung
mit einer ersten Verstärkerstufe 10,
einer zweiten Verstärkerstufe 110 und
einem Steuergerät 200.
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Beide
Verstärkerstufen 10, 110 sind
gleich aufgebaut und enthalten einen Verstärker 11 als Teil der
ersten Verstärkerstufe 10 (bzw. 111 als
Teil der zweiten Verstärkerstufe 110),
der bezüglich
des Offset und des Verstärkungsfaktors
abgeglichen werden muß.
Eine erste Eingangs-Referenzstufe 12 (112) ist an
einen ersten Schalteingang eines Eingangsschalters 13 (113)
angeschlossen, dessen zweiter Schalteingang mit einem für beide
Verstärkerstufen 10, 110 gemeinsamen
Eingangsanschluß 201 verbunden
ist. Ein dritter Schalteingang des Eingangsschalters 13 (113)
führt zu
einer zweiten Eingangsreferenzstufe 14 (114).
Der Ausgang des Eingangsschalters 13 (113) ist
mit einem ersten Eingang einer Additionsstufe 15 (115)
verbunden, deren Ausgang zu dem Eingang des Verstärkers 11 (111)
führt,
dessen Ausgang mit dem Schalteingang eines Ausgangsschalters 16 (116)
verbunden ist. Ein erster Schaltausgang dieses Schalters 16 (116)
führt zu
einem ersten Eingang eines ersten Komparators 17 (117),
dessen zweiter Eingang mit einer ersten Ausgangs-Referenzstufe 18 (118)
verbunden ist. Der Ausgang des Komparators 17 (117)
ist über
einen ersten Umformer 17a (117a) mit einem zweiten
Eingang der Additionsstufe 15 (115) verbunden.
Ein zweiter Schaltausgang des Schalters 16 (116)
führt zu
einem gemeinsamen Ausgangsanschluß 202 der beiden Verstärkerstufen 10 und 110.
Ein drit ter Schaltausgang des Schalters 16 (116)
ist mit einem ersten Eingang eines zweiten Komparators 19 (119)
verbunden, dessen zweiter Eingang an den Ausgang einer zweiten Ausgangs-Referenzstufe 20 (120)
angeschlossen ist. Der Ausgang des zweiten Komparators 19 (119)
führt über einen
zweiten Umformer 19a (119a) zu einem Steuereingang
des Verstärkers 11 (111), über den dessen
Verstärkungsfaktor
gesteuert werden kann.
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Die
Umformer 17a, 19a, 117a, 119a enthalten
beispielsweise je einen Zähler
und einen Digital/Analog-Wandler. Dadurch werden die Komparator-Ausgangssignale,
die in diesem Ausführungsbeispiel
die Zustände
logisch "high" und "low" annehmen können, derart
umgeformt, daß die
Addierstufen 15 bzw. 115 und die Verstärker 11 bzw. 111 angesteuert
werden können.
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Das
Steuergerät 200 ist
mit den Steuereingängen
der Schalter 13, 16, 113, 116 sowie
der Umformer 17a, 19a, 117a, 119a verbunden
und steuert folgenden Funktionsablauf der Verstärkereinrichtung.
- 1a. Nach dem Einschalten werden beide Verstärker 11, 111 abgeglichen.
Dazu werden zunächst die
Schalter derart angesteuert, daß die
erste Eingangs-Referenzstufe 12 (112) mit dem
Eingang des Verstärkers 11 (111),
und dessen Ausgang mit dem Komparator 17 (117)
verbunden ist. Der Umformer 17a (117a) leitet
ein entsprechendes Signal an die Addierstufe 15 (115).
Dadurch wird der Offset abgeglichen.
- 1b. Anschließend
werden die Schalter derart angesteuert, daß der Eingang des Verstärkers 11 (111)
mit der zweiten Eingangs-Referenzstufe 14 (114)
und der Verstärkerausgang
mit dem Komparator 19 (119) verbunden ist. Der
erste Umformer 17a (117a) Leitet seinen letzten
in Schritt 1a ermittelten Wert weiterhin an die Addierstufe 15 (115) und
der zweite Umformer 19a (119a) wird derart angesteuert,
daß er
ein von dem Komparator-Ausgangssignal beeinflußtes Steuersignal an den Verstärker 11 (111)
leitet. Dadurch wird der Verstärkungsfaktor
abgeglichen.
- 2. Nachdem dieser Abgleich abgeschlossen ist, neben beide Umformer 17a, 19a (117a, 119a)
Signale mit den in Schritt 1 zuletzt ermittelten Werten
weiter und die Schalter 13, 16, 113, 116 werden
derart angesteuert, daß beide
Verstärker
im normalen Verstärkungsbetrieb
(Normalbetrieb) arbeiten.
- 3. Nach einer vorgegebenen Zeit wird einer der beiden Verstärkerstufen,
beispielsweise die erste Stufe 10, derart angesteuert,
daß von
dem Normalbetrieb in den Abgleichbetrieb umgeschaltet wird. Die
andere Verstärkerstufe
verbleibt im Normalbetrieb.
- 4. Nachdem der Abgleich in Schritt 3 abgeschlossen
ist, arbeiten beide Verstärker 11, 111 für eine vorgegebene
Zeit wieder gemeinsam im Normalbetrieb.
- 5. Anschließend
wird die zweite Stufe 110 (im Gegensatz zu Schritt 3)
in den Abgleichbetrieb geschaltet.
- 6. Nachdem dieser Abgleich beendet ist, wird die zweite Stufe 110 wieder
in Normalbetrieb geschaltet, so daß beide Stufen im Normalbetrieb
arbeiten.
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Das
Steuergerät 200 wiederholt
fortlaufend die Schritte 3 bis 6.
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Wenn
nur einer der Verstärker 11, 111 im Normalbetrieb
arbeitet, so wird ein, am Eingangsanschluß 201 anliegendes
Eingangssignal, das in diesem Ausführungsbeispiel als Stromsignal
ausgebildet ist, durch den entsprechenden Verstärker verstärkt und am Ausgangsanschluß 202 liegt
ein zugehöriges
Ausgangssignal an.
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Werden
beide Verstärker 11, 111 im
Normalbetrieb betrieben, so teilt sich das Strom-Eingangssignal
gleichmäßig auf
beide Verstärker 11, 111 auf, wenn
diese den gleichen Eingangswiderstand aufweisen. Dieses kann beispielsweise
erreicht werden, indem paarweise geeignete Verstärker 11, 111 ausgewählt wer den.
Bei einer Realisierung der Verstärker 11, 111 bzw.
der Verstärkerstufen 10, 110 als
Teil einer gemeinsamen integrierten Schaltung kann durch ein geeignetes
Design sichergestellt werden, daß beide Verstärker 11, 111 einen
gleichgroßen
Eingangswiderstand haben.
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Der
Wert des am Ausgangsanschluß 202 anliegenden
Strom-Ausgangssignals ergibt sich durch Addition der von den Verstärkern 11, 111 erzeugten Einzel-Ausgangsströme. Diese
sind im wesentlichen gleich, da die Verstärkungsfaktoren der beiden Verstärker ständig abgeglichen
werden und gleiche Werte annehmen sollen.
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2 zeigt
symbolisch eine Verstärkereinrichtung,
die in gleicher Weise aufgebaut sein soll, wie das Ausführungsbeispiel
gemäß 1,
jedoch zur Verarbeitung von Spannungs-Eingangssignalen und zur Erzeugung
von Spannungs-Ausgangssignalen geeignet ist. Es wurden in 2 nur
Mittel dargestellt, die für
das Verständnis
des Unterschiedes zwischen den beiden Ausführungsformen wesentlich sind.
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So
wurden beispielsweise das Steuermittel 200, die Referenzstufen 12, 14, 18, 20 (112, 114, 118, 120)
und die Additionsstufen 15 (115) der übersichtlichkeit
wegen nicht eingezeichnet. Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel
der 1 sind bei 2 die beiden
Entkopplungswiderstände 21 bzw. 121,
die in diesem Ausführungsbeispiel
gleiche Werte aufweisen und zwischen den Ausgängen der Verstärker 11 bzw. 111 und
dem Ausgangsanschluß 202 angeordnet
sind.
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Ist
nur einer der Verstärker,
beispielsweise 11, in Normalbetrieb geschaltet, so wird
das Spannungs-Eingangssignal durch diesen verstärkt. Das an dem Ausgang des
Verstärkers 11 anliegende Spannungs-Ausgangssignal
liegt auch an dem Anschluß 202 an,
wenn der Eingangswiderstand nachgeschalteter Stufen, und damit der
Spannungsabfall an dem Widerstand 21, vernachlässigbar
ist.
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Sind
beide Verstärker 11, 111 in
Normalbetrieb geschaltet, so wird sich an dem Anschluß 202 eine
Spannung einstellen, deren Wert gleich dem Mittelwert von den beiden
Verstärkerausgangssignalen
ist. Da die Verstärkungsfaktoren
Laufend aufeinander abgeglichen werden und die Eingangssignale gleich
sind, so sind auch die Ausgangssignale der beiden Verstärker gleich.
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Die
Steuerung des Steuergerätes 200,
die sowohl Normalbetrieb als auch Abgleichbetrieb ermöglicht,
kann für
das Ausführungsbeispiel
der 2 genauso ablaufen wie für das Ausführungsbeispiel der 1.
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Somit
ist der Verlauf des Ausgangssignals am Anschluß 202 also unabhängig davon,
ob nur einer der beiden Verstärker 11, 111 oder
beide gemeinsam im Normalbetrieb arbeiten.
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Versionen
der genannten Ausführungsbeispiele
können
zumindest eine der folgenden Variationen aufweisen:
- – Es
können
mehr als zwei Verstärker
vorgesehen sein, von denen mehr als einer gleichzeitig im Normalbetrieb
geschaltet ist. Dadurch können
Toleranzen der einzelnen Verstärker
besser ausgeglichen werden;
- – für jeden
der verwendeten Verstärker 11, 111 können Mittel
zum Abgleich, wie beispielsweise die Referenzstufen und Komparatoren
gemeinsam verwendet werden;
- – anstelle
der Verstärker 11 bzw. 111 können andere
Signalverarbeitungsstufen, wie Multiplizierer, Addierer oder sonstige
komplexe Stufen, die abgeglichen werden sollen, eingesetzt werden;
- – es
ist möglich,
daß nicht
beide Verstärker 11, 111 gleichzeitig
arbeiten. Das heißt
das Verfahren kann so ablaufen, daß ab einem vorgegebenem Zeitpunkt,
das heißt
von Anfang an oder ab einem späteren
Zeitpunkt, immer einer der Verstärker
im Normalbetrieb arbeitet und der jeweils andere abgeglichen wird.