DE69002906T2

DE69002906T2 - Integrierter, dynamischer, von der Versorgungsspannung nichtbeeinflusster Amplituden-Limiter.

Info

Publication number: DE69002906T2
Application number: DE90310161T
Authority: DE
Inventors: Kalle Jukka Tapio Korhonen; Pertti Juhani Korhonen
Original assignee: Nokia Mobile Phones Ltd
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1990-09-17
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2010-09-18
Also published as: EP0419186B1; EP0419186A2; DE69002906D1; ATE93670T1; FI894435A; FI88562C; US5329191A; FI88562B; FI894435A0; EP0419186A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen bei Audiofrequenzen arbeitenden Amplitudenbegrenzer und ist besonders bestimmt für einen Hubbegrenzer bei einem mobilen Fernsprechgerät oder einer Basisstation.
Bei dem Sender eines Funk-Fernsprechers muß die Amplitude der Eingangsspannung des FM-Modulators begrenzt werden, um den Frequenzhub eines FM-modulierten Signals zu begrenzen. Signale mit außerordentlich hohem Pegel werden durch einen Spitzenbegrenzer oder Clipper gekappt, der die Amplituden des Signals auf einen Pegel zwischen einem höheren und einem niedrigeren Pegel begrenzt. Ein normaler Weg, den Spitzenbegrenzer auszuführen, besteht darin, Begrenzungspegel an dem Spannungsteiler direkt von der Versorgungsspannung zu bilden oder eine Referenzspannung zu benutzen, die mit Bezug auf die Versorgungsspannung gebildet wird.
Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß Veränderungen und Störungen der Versorgungsspannung die Referenzspannungen und dadurch direkt das Ausgangssignal des Spitzenbegrenzers beeinflussen. Um diese Nachteile zu beseitigen, müssen die Störkomponenten innerhalb eines breiten Frequenzbereichs aus der Versorgungsspannung ausgefiltert werden und es muß Sorge getragen werden, den Absolutwert der Versorgungsspannung so stabil wie möglich zu halten. Das führt seinerseits zu der Notwendigkeit, teuere Präzisions-Bauelemente zu benutzen. Derartige spezialisierte Bauelemente Präzisions-Kondensatoren, Präzisions-Widerstände und einen Regler, die bei ausgeführten Mobil-Fernsprechern und Grundstationen nach dem Stand der Technik beispielsweise als eine NE-571-Schaltung eingesetzt wurden. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, ausreichend genaue Begrenzungsniveaus und ausreichend genaue Anstiegs- und Abfallzeiten zu erzielen.
US-A-4 802 236 beschreibt einen Modulations-Begrenzer, welcher einen Verstärker und einen Spitzenbegrenzer umfaßt, der die Amplitude der Signale auf ein Niveau zwischen einem höheren Niveau und einem niedrigeren Niveau begrenzt. Teile des Begrenzers sind in Form geschalteter Kondensatoren ausgeführt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Mängel der Spitzenbegrenzer nach dem Stand der Technik zu vermindern und einen integrierten dynamischen Amplitudenbegrenzer zu schaffen, der von der Spannung unabhängig ist und die Amplitude des Eingangssignals auf einen vorbestimmten Pegel begrenzt, so daß die Veränderungen und Störungen der Versorgungsspannung nicht direkt im Ausgangssignal sichtbar werden.
Der erfindungsgemäße Amplitudenbegrenzer ist dadurch gekennzeichnet, daß die die höheren und niedrigeren Begrenzungsniveaus bestimmenden Spannungen aus der Spannung einer Bandlükken-Spannungsreferenz (Vbgref) gebildet werden, welche Spannung mit Bezug auf die virtuelle Erdspannung der Verstärkerschaltung gebildet wird, und in diesem Fall ist der Begrenzungspegel von der Versorgungsspannung (Vdd) unabhängig. Die virtuelle Erde gilt für die gesamte Schaltung gemeinsam und wird beispielsweise durch Untersetzer-Widerstände aus der Versorgungsspannung gebildet. Die Genauigkeit der virtuellen Erde beeinflußt das Funktionieren der Schaltung nicht.
Der erfindungsgemäße Amplitudenbegrenzer umfaßt einen dynamischen AGC-Verstärker (automatic gain control = automatische Verstärkungsfaktor-Steuerung) und einen ihm nachfolgenden Spitzenpegel-Begrenzer. Die Schaltung wird ausgeführt unter Benutzung von geschalteten Kondensatoren (SC = switched capacitors). Diese ermöglichen es, bei integrierter Ausführung sehr genaue Begrenzungspegel zu erreichen. Die Grundschaltungen der durch SC-Technik verwirklichten AGC-Verstärker und Begrenzer-Verstärker sind als getrennte Schaltungen bekannt, jedoch ist die integrierte Schaltung nach der Erfindung neuartig. Da die Begrenzungspegel aus einer mit Bezug auf die virtuelle Erdspannung erzeugten Referenzspannung gewonnen werden, ergibt es sich, daß die Begrenzungsschaltung unabhängig von der (Versorgungs-) Spannung funktioniert und Veränderungen und Störungen der Versorgungsspannung im Ausgangssignal nicht direkt sichtbar werden.
Die Schaltung nach einer Ausführung des erfindungsgemäßen Amplitudenbegrenzers ist in Fig. 1 abgebildet.
Der Amplitudenbegrenzer umfaßt drei klar unterscheidbare Blöcke: automatische Verstärkungssteuerung (AGC) 1; einen Block 2 zum Bilden von Referenzspannungen und einen Begrenzerblock 3. In den Blöcken zeigen A, B und C geschaltete Kondensatoren an, die durch Taktimpulsformen a, b bzw. c gesteuert werden.
Die Beschreibung des Betriebs beginnt beim Block 2. Die Bandlücken-Referenzschaltung bildet aus der Versorgungsspannung Vdd und der virtuellen Erde (Vdd/2) eine Spannung Vbgref, die mit dem Ausmaß der Bandlücken-Referenzspannung unter der virtuellen Erde liegt. Es kann gesehen werden, daß die Spannungsdifferenz zwischen Vbgref und der virtuellen Erde Vdd/2 nicht von dem Absolutwert der Versorgungsspannung Vdd abhängt, so lange die Versorgungsspannung für das Funktionieren der Bandlücken-Referenz ausreicht. Selbstverständlich ändert sich der Absolutwert von Vbgref mit einer Änderung der Versorgungsspannung Vdd, jedoch hat dies keine Bedeutung, da erfindungsgemäß die jede Spannungs-Abtastung in den Kondensatoren mit Bezug auf die virtuelle Erde gebildet wiir. Von der Spannung Vbgref werden die höheren und niedrigeren Referenzspannungen für den Fenster-Komparator 6, 7 bei dem SC-Verstärkerpaar 4, 5 gebildet, so daß die reversierende Verstärkerstufe 4 die Referenzspannung über der virtuellen Erde und die Direkt-Verstärkerstufe 5 die Referenzspannung unter der virtuellen Erde bildet.
Der Fenster-Komparator 6, 7 vergleicht den Wert der Ausgangsspannung des AGC-Verstärkers 9 mit der höheren und der niedrigeren Referenzspannung, die jeweils von den Verstärkern 4, 5 des Referenzspannungs-Bildungsblocks 2 erhalten wird und steuert das Funktionieren des Auf/Ab-Zählers von Block 8 so, daß er die Dämpfung des AGC-Verstärkers erhöht oder vermindert, falls der Pegel des AGC-Ausgangssignals außerhalb bzw. innerhalb der Grenzen des Fensters liegt. Die Anstiegs- und Abfall-Zeitkonstanten des AGC werden direkt aufgrund der Taktfrequenzen des Auf/Ab-Zählers bestimmt und sind deshalb sehr genau. Sie können auch wählbar gemacht werden, in welchem Fall die Zeitkonstanten je nach Anwendung geändert werden können. Das Funktionieren des Auf/Ab-Zählers wird mit dem Takten des AGC-Verstärkers synchronisiert, so daß die Verstärkung nur zu Begin der Absetz/Rückstell-Sequenz nachgestellt wird, da die Nachstellung während der Verstärkerbetriebs-Sequenz starke Störungen im Ausgangssignal des AGC- Verstärkers auftreten lassen würde.
Der Spitzenpegel-Begrenzerblock 3 nimmt eine Abtastung der Ausgangsspannung des AGC-Verstärkers vor und vergleicht sie mit den Referenzpegeln durch Verwendung des Fenster-Komparators 10, 11. Falls die Spannung sich zwischen den Referenzpegeln befindet, wird sie direkt an den Ausgang des Amplitudenbegrenzers angelegt. Falls die Spannung sich außerhalb der Referenzgrenzen befindet, wird die entsprechende Referenzspannung direkt an den Ausgang angelegt. Die Entscheidungsbildung und das Steuern der Schalter S1, S2 und S3 erfolgt in der Entscheidungsbildungs- und Kondensatorauswahl-Logik 12.
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden Verstärkungsspannungs-Veränderung und Störungen in dem Ausgangssignal des Amplitudenbegrenzers beseitigt. Der Pegel des Signals hängt von der Versorgungsspannung nur in dem Maße der PSR-Eigenschaft (power supply rejection = Netzentkopplung) und der Temperaturabhängigkeit der Bandlücken-Spannungsreferenz ab. Typischerweise liegt die PSR in der Größenordnung von -20... -40 dB und die Temperaturabhängigkeit ist in der Größenordnung von 100-200 ppm/ºC. So kann sich die Versorgungsspannung beispielsweise im Bereich 4-10 V ändern, ohne die Begrenzungs-Eigenschaften der vorgelegten Schaltung zu beeinflussen.
Falls es erwünscht ist, daß der Betriebspegel des Begrenzerblocks 3 sich von dem des Steuerschaltungsblocks 1 der Verstärkung unterscheidet, müssen getrennte Referenzspannungen für den Spitzenbegrenzerblock gebildet werden; wenn jedoch die gleiche Betriebspegel benutzt werden, ist es möglich, gemeinsame Referenzspannungen zu benutzen, wie vorstehend beschrieben.
Das vorstehend beschriebene Schaltungsbeispiel kann auch auf andere Weise innerhalb des Schutzbereichs der Patentansprüche ausgeführt werden. So kann die Regelschleife des AGC-Verstärkers ausgeführt werden, indem beispielsweise eine Kombination aus Integrator + Gleichrichtung + Komparator + Auf/Ab-Zähler benutzt wird, oder in irgendeiner anderen Weise, die für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich ist.
Der erfindungsgemäße Amplitudenbegrenzer kann sehr gut als eine CMOS-Schaltung integriert sein, beispielsweise zusammen mit Filterfunktionen, da in beiden Fällen die SC-Technik Verwendung findet. Da die Referenzspannung der Schaltung mit Bezug auf den virtuellen Erdpegel der Schaltung gebildet wird, kann eine preisgünstige Reglerschaltung benutzt werden, um die Schaltungs-Versorgungsspannungen zu bilden. Die beschriebene Schaltung kann bei allen Anwendungen benutzt werden, bei denen es erwünscht ist, einen CMOS-integrierten dynamischen Amplitudenbegrenzer innerhalb eines höheren Frequenzbereichs herzustellen. Eine typische Verwendung ist der die Hubbegrenzung bei einem mobilen Fernsprecher oder einer Basisstation.

Claims

1. Amplitudenbegrenzer-Schaltung zum Begrenzen der Amplitude des Eingangssignals auf einen vorbestimmten Pegel, welche Amplitudenbegrenzer-Schaltung umfaßt einen dynamischen AGC-Verstärker, einen Spitzenpegel-Begrenzer und eine Begrenzungspegel bildende Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische AGC-Verstärkerblock (1), der Spitzenpegel-Begrenzerblock (3) und der Block (2), der die höheren und niedrigeren Begrenzungspegel bildet, jeweils unter Benutzung von geschalteten Kondensatoren (SC) ausgeführt ist und sie (1, 2, 3) zusammen zu einer integrierten Amplitudenbegrenzer-Schaltung ausgebildet sind, und daß die die höheren und die niedrigeren Begrenzungspegel bestimmenden Spannungen aus der Spannung einer Bandlükken-Spannungsreferenz (Vbgref) gebildet sind, welche Spannung gebildet ist in Relation zu der virtuellen Erdspannung der Schaltung, in welchem Fall die Begrenzungspegel von der Versorgungsspannung (Vdd) unabhängig sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der AGC-Verstärkerblock (1) einen Fenster-Komparator (6, 7) besitzt, der die Ausgangsspannung des AGC-Verstärkers (9) mit den die höheren und die niedrigeren Begrenzungspegel bestimmenden Spannungen vergleicht, wobei der Fenster-Komparator (6, 7) den Auf/Ab-Zähler zum Erhöhen oder Vermindern der Dämpfung des AGC-Verstärkers steuert, so daß die Ausgangsspannung zwischen dem höheren und dem niedrigeren Begrenzungspegel verbleibt.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenpegel-Begrenzerblock (3) einen Fenster-Komparator (10, 12) besitzt, der die Ausgangsspannung des AGC- Verstärkers mit den die höheren und die niedrigeren Grenzwerte bestimmenden Spannungen vergleicht, wobei der Fenster-Komparator (10, 12) die Entscheidungsbildungs- und Kondensatorauswahl-Schaltung (12) so steuert, daß sie zu der Amplitudenbegrenzer-Schaltung die Ausgangsspannung des AGC-Verstärkers richtet, wenn ihr Wert zwischen den die höheren und niedrigeren Begrenzungspegel bestimmenden Spannungen liegt, oder die höhere Referenzspannung, falls der Wert der Ausgangsspannung des AGC-Verstärkers höher als dieser ist, oder die niedrigere Referenzspannung, falls der Wert der Ausgangsspannung des AGC-Verstärkers niedriger als diese ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die höheren und niedrigeren Referenzpegel bestimmenden Spannungen für den AGC-Verstärkerblock (1) und für den Pegel-Spitzenbegrenzer-Block (3) separat gebildet werden.