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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf elektronische Systeme und insbesondere
auf analoge Verstärkerbegrenzungsschaltungen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Eine
genaue analoge Begrenzungssteuerung der Ausgabeknoten eines Verstärkers ist
für Anwendungen
wie gemischte Signal-Codecs wichtig. Die meisten Codecs des Standes
der Technik sind eine Kombination aus analogem Eingangssignal und digitalem
Ausgangssignal. Ein Codectyp hat zum Beispiel einen analogen Verstärker, um
einem Sigma-Delta-Analog/Digital-Umsetzer (Sigma-Delta-A/D-Umsetzer) ein analoges
Eingangssignal zu liefern. Wenn das analoge Signal, das dem maximalen
digitalen Wert des A/D-Umsetzers entspricht, kleiner ist als der
Dynamikbereich des Verstärkers,
können
der A/D-Umsetzer und ein entsprechendes digitales Filter überlastet
werden. Wenn das digitale Filter überlastet ist, verhindert ein
interner Begrenzungsmechanismus das Zurücksetzen des digitalen Signals.
Dieser erzeugt eine digitale Darstellung eines trapezförmigen Signals,
das Oberschwingungen mit ausreichender Stärke enthält, die die FM-Modulationstiefe
bis auf unerwünschte
Pegel erhöhen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
analoge Begrenzungsschaltung umfasst: einen Hauptverstärker; einen
Rückkopplungswiderstand,
der zwischen einen ersten Eingang des Hauptverstärkers und einen Ausgang des
Hauptverstärkers
geschaltet ist; eine erste Stromquelle, die zu dem Rückkopplungswiederstand
parallel geschaltet ist; einen ersten Begrenzungsverstärker, der
mit der ersten Stromquelle verbunden ist, um die erste Stromquelle
zu steuern, wobei der erste Begrenzungsverstärker an einem ersten Eingang
mit einem Ausgang des Hauptverstärkers
und an einem zweiten Eingang mit einem ersten Referenzknoten verbunden
ist; eine zweite Stromquelle, die zu dem Rückkopplungswiderstand parallel
geschaltet ist; und einen zweiten Begrenzungsverstärker, der
mit der zweiten Stromquelle verbunden ist, um die zweite Stromquelle
zu steuern, wobei der zweite Begrenzungsverstärker an einem ersten Eingang
mit einem Ausgang des Hauptverstärkers
und an einem zweiten Eingang mit einem Referenzknoten verbunden ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird jetzt weiter beispielhaft mit Bezug auf
bestimmte beispielhafte Ausführungsformen
beschrieben, die in der beigefügten
Zeichnung gezeigt sind, in welcher:
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1 ein
Stromlaufplan einer bevorzugten Ausührungsform einer analogen Differenzverstärkerbegrenzungsschaltung
ist;
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2 ein
Stromlaufplan einer bevorzugten Ausführungsform einer analogen Eintaktverstärkerbegrenzungsschaltung
ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Schaltungen der bevorzugten Ausführungsform
sind bestimmt, um die Ausgangspannungshübe entweder einer Volldifferenz-
oder einer Eintaktverstärkerverstärkungszelle
zu begrenzen. Die Schaltungen verwenden eine analoge Gegenkopplungsschleife,
um den Strom durch den Rückkopplungswiderstand
des Hauptverstärkers
zu steuern. Eine bevorzugte Ausführungsform
einer analogen Verstärkerbegrenzungsschaltung
ist in 1 gezeigt. Die Schaltung von 1 ist
eine Volldifferenzschaltung, aber die Schaltung kann auch als eine Eintaktschaltung
realisiert werden. Die Schaltung von 1 umfasst
den Verstärker 20,
die Widerstände 22, 24, 26 und 28,
den positiven Eingangsknoten 34, den negativen Eingangsknoten 36,
den positiven Ausgangsknoten 38, den negativen Ausgangsknoten 40,
die Rückkopplungsverstärker 42 und 44 und
die Knoten 46 und 48 der niedrigen Begrenzungsspannung
sowie die Transistoren 50, 52, 54 und 56.
Die beiden Begrenzungsverstärker 42 und 44 haben,
wie der Hauptverstärker 20, P-Kanal-Eingangsstufen. Dies
passt die optimalen Gleichtaktpegel an, bei denen die Verstärker arbeiten
müssen.
Die Transistoren 50, 52, 54 und 56 dienen
als Stromquellen, die von den Ausgangsspannungen der Rückkopplungsverstärker 42 und 44 gesteuert
werden. Erreicht entweder die Ausgangsspannung Vout– oder
die Ausgangsspannung Vout+ die niedrige
Begrenzungsspannung Vcl, leiten die Transistoren 50, 52, 54 und 56 irgendeinen
zusätzlichen
Strom ab, sodass der Strom If konstant bleiben
kann, wobei die Ausgangsspannung Vout+ oder
Vout– auf
dem Begrenzungspegel Vcl bleibt.
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Wenn
die Ausgangsspannung Vout+ größer ist als
die Begrenzungsspannung Vcl, ist der Minus-Eingangsanschluss
des Begrenzungsverstärkers 42 größer als
sein positiver Eingangsanschluss. Dies bewirkt, dass die Ausgangspannung
VA des Verstärkers 42 eine niedrige
Spannung ist (A1*(Vcl – Vout+), wobei A1 die
Verstärkung
des Verstärkers 42 ist). Während die
Ausgangsspannung VA des Verstärkers 42 eine
niedrige Spannung ist, bleiben die Transistoren 50 und 52 ausgeschaltet,
wobei der normale Betrieb der Schaltung unverändert bleibt.
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Wegen
der Art der Differenzsignale (Vout+ und Vout– sind
invers zueinander) ist das Ausgangssignal VB des
Verstärkers 44 während des
Normalbetriebes ebenfalls eine niedrige Spannung, wobei die Transistoren 54 und 56 ausgeschaltet
sind. Der Normalbetrieb ist durch den Spitzenspannungshub |Vmid – Vout+| definiert, wobei |Vmid – Vout–|
kleiner ist als |Vmid – Vcl| und
wobei Vmid die Versorgungsspannung, dividiert durch
zwei ist.
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Während in
der Schaltung von 1 die Spannung Vout+ der
Spannung Vcl sehr nahe kommt, wird der Verstärker 42 aktiv
und die Steuerspannung VA beginnt zu steigen.
Der Verstärker 42 versucht, wegen
seiner Verstärkung
und der Gegenkopplungsschleife, die er gerade gebildet hat, seine
Eingangsanschlüsse
gleich zu halten. Während
die Spannung Vout+ versucht, niedriger zu
werden als die Spannung Vcl, wird der Verstärker 42 aktiv,
wobei die Steuerspannung VA steigt. Dies
bewirkt, dass im Transistor 50 der Strom Isw,
welcher versucht, die Spannung Vout+ zu
erhöhen,
steigt. Dies wird weiterhin von den folgenden Gleichungen für den Strom
am Knoten 70 erklärt. (Vin– – V70)/Ri = (V70 – Vout+)/Rf + IswA Vin– – V70 = (Ri/Rf)*(V70 – Vout+) + IswARi (Ri/Rf)Vout+ = V70(1 + Ri/Rf) – Vin– +
IswARi
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Idealerweise ändert sich
wegen der Rückkopplung
die Spannung am Knoten 70 nicht. Damit die Spannung Vout+ konstant bleibt, wenn die Spannung Vin– weiter
steigt, muss der Strom IswA steigen. Die
Rückkopplungsschleife ändert dynamisch
den Strom IswA, um die Spannung Vout+ etwa gleich der Begrenzungsspannung
Vcl zu halten. Wenn die Spannung Vout+ auf einen konstanten Pegel begrenzt
wird, begrenzt die Gleichtaktrückkopplungsschaltung
des Hauptverstärkers 20 die
Begrenzungsspannung Vout– auf der hohen Seite,
da (Vout+ + Vout–)/2
= Vcm – Vmid ist. Vcm ist
die Gleichtaktspannung. Der Transistor 52 wird in diesem
Zyklus ebenfalls durchgesteuert. Dies hilft, das Gleichtakteingangssignal
V70 konstant zu halten. Die Stromgleichungen
für den
Knoten 71 sind unten gezeigt. (Vout– – V70)/Rf + IswB = (V70 – Vin+)/Ri V70 = (Vout– +
IswBRf + Vin+(Rf/Ri))/(1
+ Rf/Ri)
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Wenn
Vout– konstant
ist, werden Vin+ kleiner und IswB größer, sodass
V70 konstant bleiben kann. Wegen der Polarität der Transistoren 50 und 52 und der
betreffenden Signalausschläge
ist der Strom IswB kleiner als der Strom
IswA, weshalb die Spannung V70 um
einen Betrag kleiner wird. Dies ist für große Verstärkungsschwankungen Rf/Ri tolerierbar,
weil der Verstärker 20 ein
P-Kanal-Eingangs-Paar-Verstärker ist.
Das setzt voraus, dass das Breiten-Längen-Verhältnis des Transistors 50 gleich
dem Breiten-Längen-Verhältnis des
Transistors 52 ist. Das Breiten-Längen-Verhältnis des Transistors 52 kann
größer gemacht
werden als das Breiten-Längen-Verhältnis des
Transistors 50, um für
eine gegebene Steuerspannung VA den Strom
durch den Transistor 52 zu vergrößern. Dies hält die Eingangsgleichtaktstufe noch
näher am
Idealfall. Ohne den Transistor 52 hört dieses System auf zu arbeiten,
wenn die Spannung am Knoten 70 so niedrig abfällt, dass
die Gleichtaktrückkopplungsschaltung
des Verstärkers 20 zu
arbeiten aufhört.
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Die
Betriebsschritte sind folgendermaßen. Wenn die Spannung Vout+ und die Spannung Vout– die Begrenzungsspannung
Vcl nicht erreicht haben, sind die Steuersignale
VA und VB auf einem
niedrigen Pegel. Dies ist der Normalbetrieb, wenn alle Rückkopplungstransistoren 50, 52, 54 und 56 ausgeschaltet sind
(hohe Impedanz). Wenn die Spannung Vout+ oder die
Spannung Vout– die
Begrenzungsspannung Vcl erreicht, wird der
Verstärker 42 oder 44 aktiv
und eine Gegenkopplungsschleife über
die Transistoren 50 und 52 oder über die
Transistoren 54 und 56 geschlossen. Dies begrenzt
die Ausgangsknotenspannung Vout+ oder Vout– auf
die Spannung Vcl. Die Gleichtaktrückkopplungsschaltung
des Verstärkers 20 begrenzt
die andere Seite, weil (Vout+ + Vout–)/2
= Vcm ist. Weil der Transistor 52 nicht
den gleichen Strom leitet wie der Transistor 50 und der
Transistor 54 nicht den gleichen Strom leitet wie der Transistor 56,
fallen beide Eingangsanschlüsse
des Verstärkers 20.
Dies kann durch Vergrößern der
Breiten-Längen-Verhältnisse
der Transistoren 52 und 54 abgestimmt werden.
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In 2 ist
eine Eintaktversion der analogen Begrenzungsschaltung gezeigt. Die
Schaltung von 2 umfasst den Verstärker 80,
die Widerstände 82 und 84,
den Eingangsknoten 86, den Vmid-Knoten 88, den
Ausgangsknoten 90, die Rückkopplungsverstärker 92 und 94,
den Knoten 96 der niedrigen Begrenzungsspannung, den Knoten 98 der
hohen Begrenzungsspannung und die Transistoren 100 und 102. Die
Eintaktschaltung von 2 arbeitet mit einigen Unterschieden
in der Realisierung nach der gleichen allgemeinen Theorie der Differenzschaltung
von 1. Die Differenzschaltung von 1 stützt sich auf
die symmetrische Art von Vout+ und Vout–.
Wenn Vout+ niedrig begrenzt, muss Vout– hoch
begrenzen. Deshalb wird nur die niedrige Referenzbegrenzungsspannung
verwendet. Bei der Eintaktschaltung von 2 ist das
Signal eine komplexe Eintaktsignalform, die zwei Referenzbegrenzungsspannungen, eine
hohe Begrenzungsspannung Vch und eine niedrige
Begrenzungsspannung Vcl, benötigt.
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Da
es eine Vch-Referenz gibt, muss ein Begrenzungsverstärker 92 eine
N-Kanal-Eingangsstufe sein und der andere Begrenzungsverstärker 94 eine P-Kanal-Eingangsstufe
bleiben. Wie in 2 gezeigt ist, hat der Verstärker 80 einen
Eingangsanschluss 88, der mit der Spannung Vmid verbunden
ist. Die Verstärkung
des Verstärkers 80 und
seine Rückkopplung
erzwingen, dass die Spannung an dem anderen Eingangsanschluss 89 ebenso
Vmid ist. Wegen der Polarität der Spannungen
und Ströme
ist ein Rückkopplungsschalter
ein PMOS-Transistor 100 und der andere ein NMOS-Transistor 102.
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Aus
den gleichen Gründen,
die für
die Volldifferenzschaltung von 2 angegeben
wurden, ist das Ausgangssignal des Verstärkers 92, die Spannung
VAA, hoch und die Ausgangsspannung des Verstärkers 94,
die Spannung VBB, niedrig, wenn Vcl < Vout < Vch ist. Wenn Vout ≤ Vcl ist, steigt die Steuerspannung VBB, um den Transistor 102 durchzusteuern
und die Gegenkopplungsschleife durch den Verstärker 94 und den Transistor 102 zu
vervollständigen.
Der Strom durch den Transistor 102 steigt, um den Strom im
Widerstand 84 auf einen konstanten Wert zu beschränken, obwohl
der Strom im Widerstand 82 steigt. Wenn Vout ≥ Vch ist, sinkt das Steuersignal VAA, um
den Transistor 100 durchzusteuern und um das gleiche Ergebnis,
die Beschränkung
des Stromes im Widerstand 84 auf einen konstanten Wert,
zu erreichen. Deshalb wird die Eintaktspannung Vout auf
einen maximalen und auf einen minimalen Referenzspannungspegel begrenzt
(beschränkt).
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Die
folgenden Gleichungen zeigen die Strombeziehungen, die das Begrenzungsergebnis liefern. (Vin – Vmid)/Ri = (Vmid – Vout)/Rf + I102 Vout =
Vmid(1 + Rf/Ri) – (Rf/Ri)Vin +
I102Rf (Vout – Vmid)/Rf + I100 = (Vmid – Vin)/Ri Vout = Vmid(1
+ Rf/Ri) – Vin(Rf/Ri) – I100Rf
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Ri ist der Widerstand 82. Rf ist der Widerstand 84. I102 ist der Strom durch den Transistor 102. I100 ist der Strom durch den Transistor 100.
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Wegen
des Stromflusses schreiben die Polaritäten die Verwendung eines P-Kanal-Transistors 100 (VT niedrig) und eines N-Kanal-Transistors 102 (VT niedrig) vor. Wie in dem Differenzfall
von 1 steuert eine Gegenkopplungsschleife den Ausgang auf
dem Begrenzungspegel. Der N-Kanal-Transistor 102 und der
P-Kanal-Transistor 100 funktionieren wie spannungsgesteuerte
Stromquellen in einer Rückkopplungsschleife,
um den Strom im Widerstand 84 konstant zu halten, um damit
Vout konstant zu halten (begrenzt entweder
auf Vch oder Vcl).
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Obwohl
die vorliegende Erfindung ausführlich
beschrieben wurde, können
selbstverständlich mehrere Änderungen,
Ersetzungen und Abänderungen
vorgenommen werden, ohne vom Gültigkeitsbereich
der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.