DK169802B1 - Kaskadekoblet, indre-impedans-afhængig forstærker med varierbar, præcis forstærkningsstyring - Google Patents

Description

DK 169802 Bl

Opfindelsen angår en forstærkerkreds omfattende et første aktivt trin med en udgang, som er koblet til en indgang til et andet aktivt trin, samt midler til dannelse af et tilbagekoblingssignal til det første 5 trin, hvilke midler drives uafhængigt i relation til nævnte første og andet trin og tilvejebringer et logaritmisk-lineært tilbagekoblingssignal til det første trin. Ved en sådan forstærkerkreds tilsigtes opnået temperaturuafhængighed samt en nøjagtig forstærkningssty-10 ring.

Til visse anvendelser er en præcis forstærkningsstyring i dele af elektroniske koblinger af afgørende betydning for en effektiv eller nyttig funktion af systemet. Som et eksempel herpå kan nævnes radaranlæg, 15 navnlig sådanne anlæg der kræver flere kanaler og præcis, ensartet forstærkningsstyring.

I den kendte teknik foretoges forstærkningsstyring i forstærkere til radaranlæg under brug af en del-ta-forstærkningsstyrende AGC-kreds for multiple kanaler 20 i forstærkeren. Selv når hver kanal justeres separat skal den relative forstærkning hos disse kanaler imidlertid ikke alene kalibreres eller ligestilles fra starten af, men denne udligning skal også kunne holde i tidens løb. Derfor har det i den kendte teknik været al-25 mindelig praksis, at indbygge en yderligere delta-forstærknings s ty rende AGC-kreds for at kompensere for forstærkningsdrift mellem de forskellige kanaler i en multikanalforstærker. Disse kendte koblinger kræver ikke desto mindre periodisk kontrol for at afpasse forstærk-30 ningen mellem de forskellige kanaler.

Hos de kendte koblinger der har en eller anden form for forstærkningsreduktion, har konstruktionen i-midlertid indflydelse på forstærkerens støj tal, som vokser desto mere som forstærkningen reduceres. Dertil kom-35 mer, at forstærkningen i de kendte koblinger ikke længere er lineær, når der er tale om kraftig reduktion af forstærkningen.

DK 169802 B1 2 DE-offentliggørelsesskrifterne 22 46 757 og 23 52 587 samt JP patentpublikation nr. 57-91009 beskriver metoder til at styre forstærkningen i en impedansstyret forstærker, ved at en variebar modstand er 5 koblet til et givet knudepunkt i eller til nævnte impedansstyrede forstærker, idet det karakteristiske i denne forstærker er, at dens forstærkning bestemmes af impedansen ved dette knudepunkt, og at nævnte til knudepunktet koblede, variebare modstand varieres på loga-10 ritmisk-lineær måde.

DE-offentliggørelsesskriftet 23 52 587 viser desuden et første aktivt trin og et andet aktivt trin, hvori der indgår en kreds (12) for at tilvejebringe et tilbagekoblingssignal til nævnte første trin, hvilken kreds 15 drives uafhængigt i relation til nævnte første trin og nævnte andet trin og tilvej ebringer et logaritmisklineært tilbagekoblingssignal til nævnte første trin.

Der eksisterer således et behov for en forstærker, hvis forstærkning kan styres præcist, og som er så-20 ledes indrettet, at der ikke længere kræves periodisk kontrol, specielt i en multikanalforstærker, og at forstærkningen ikke mister lineæritet eller påvirkes med hensyn til støjtallet, når der er stigende forstærkningsreduktion .

25 Med henblik herpå er en forstærkerkreds af den indledningsvis angivne art ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at det første aktive trin har en transistor i fællesbasiskobling, som danner nævnte udgang, at det andet trin omfatter en emitterfølger-transistor, som har 30 en indgang forbundet med udgangen på det første aktive trin, at nævnte midler til dannelse af et tilbagekoblingssignal udgøres af en PIN-diode, som drives af en i lederetning forspændt strøm for at variere PlN-diodens impedans og derved tilvej ebringe nævnte logaritmisk-35 lineære signal til det første trin for at bibringe dette trin en tilsvarende forstærkningskarakteristik, at den DK 169802 B1 3 ene terminal på PlN-dioden er koblet til udgangen på det første trin og til indgangen på det andet trin, og at den anden terminal på PIN-dioden er koblet til jord.

Ved AGC-styring skal herefter forstås nøjagtig 5 forstærkningsstyring (accurate gain control).

I henhold til en udførelsesform indbefatter forstærkerkredsen ifølge opfindelsen en kreds til dannelse af nævnte i lederetning forspændte strøm og til justering af denne strøm til at være uafhængig af temperatur-10 variationer i forstærkerkredsen. Hensigtsmæssigt kan denne kreds indbefatte en operationsforstærker, som har en udgang, og som på sin indgang og gennem en indgangsmodstand får påtrykt en styrespænding, og som har en seriekobling af en modstand og en diode, idet serie-15 koblingens ene terminal er koblet til operationsforstærkerens udgang og seriekoblingens anden terminal er koblet til operationsforstærkerens indgang.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor 20 fig. 1 viser et diagram over en mellemfrekvens- enkelttrinsforstærker i overensstemmelse med opfindelsen, fig. 2 et diagram over en temperaturkompenseringskreds til brug i kombination med dele af den i fig.

25 1 viste kobling, og fig. 3 et diagram over en kaskadeforbindelse af forstærkere i henhold til fig. 1 og 2.

En forstærker har en forstærkning, der er afhængig af forstærkerens indre impedans på et givet punkt i 30 forstærkeren. En PlN-diode er koblet til det nævnte punkt. PIN-dioden drives med en strøm i gennemgangsretningen, hvilken strøm danner AGC-signalet for forstærkeren. I den foretrukne udførelsesform drives PIN-dioden af en operationsforstærker, således at den til nævnte 35 punk koblede impedans er temperaturuafhængig. Da PIN-dioden har en impedans, som udtrykkes ved formlen: 5 DK 169802 B1 4 log R = A + B log lp, hvor, R er PIN-diodens impedans, lp er strømmen i gennemgangsretningen, og A og B er konstanter, der er forskellige for hver enkelt diode, 10 er AGC-spændingen til den operationsforstærker der driver PIN-dioden, log-lineær i forhold til PIN-diodens impedans og dermed også i forhold til spændingsforstærkningen for den forstærker, dioden er koblet til.

15 Denne karakteristik for forstærkerens forstærkning giver mulighed for at kaskadekoble forstærkere, og for at bibeholde den samme impedansrelation som angivet foroven for de kaskadekoblede forstærkere. Derfor vil forstærkningen for kæden af forstærkere også være log-lineær i 20 forhold til en fælles AGC-spænding for de enkelte forstærkere i kæden.

Som det skal forklares nærmere nedenfor er støj-tallet for en sådan forstærker eller en kæde af sådanne forstærkere i hovedsagen uafhængigt af AGC-spændingen, 25 idet forstærkningen bestemmes af PIN-diodens impedans, hvis bidrag til støjtallet er relativt uafhængigt af størrelsen af impedansen, eller i værste fald er en meget langsomt varierende funktion af impedansen.

Opfindelsen angår en forstærker, der er uafhængig 30 af temperaturen, og som regulerer forstærkningen ved udnyttelse af en PIN-diodes radiofrekvente karakteristik.

Det er kendt at logaritmen til en PIN-diodes RF-resi-stans er logaritmisk lineær i relation til diodens gennemgangsstrøm. Forstærkerens forstærkning styres så-35 ledes resistivt. Ved at bruge en log-lineær PIN-diode som det resistive element, der bestemmer forstærkningen, DK 169802 B1 5 kan denne forstærkning gøres log-lineær i relation til styrespændingen for denne forstærkning. Som følge heraf opnår man en forstærker med bredt dynamikområde, lav in-termodulationsforvrængning, og forstærkningsstyring med 5 støj reduceret proportionalt med forstærkningsreduktionen. Hvis man f.eks. anvender en typisk PIN-diode i kaskadekoblede trin kan man også opnå en præcision i forstærkningsstyringen bedre end 0,5 dB over et område på 60 dB ved temperaturændringer på mere end 25°C i området 10 fra -55°C til 85°C.

Forstærkningsfunktionen kan kontrolleres ved aflæsning af signaler på to punkter alene, nemlig indgang og udgang, hvilket gør forstærkningskalibreringen yderst nem.

15 Som følge heraf er det nemt at justere forstærke ren under hensyntagen til konstantværdierne for det element, der bestemmer forstærkningen, dvs. PlN-dioden.

Som det skal forklares nærmere nedenfor stilles forstærkerens centerfrekvens ved hjælp af et enkelt in-20 duktivt element, hvilket giver mulighed for at have en nemt justerbar hybrid kreds af små dimensioner. Herved formes kredsen som en universal blok, der uden behov for omformning kan finde mange anvendelser.

En særlig fordel skal ses i det forhold, at me-25 dens den forstærkningsstyrende spænding ændrer sig, ændre centerfrekvensens fase sig ikke. Dette er en klar fordel i de tilfælde hvor fasen af et modtaget signal, som f.eks. i radarkredse, bærer signifikant information.

I den kendte teknik var der behov for at tage højde for 30 faseændringer ved centerfrekvensen hos afstemte forstærkere, når forstærkningen varierede. Dette er ikke nødvendigt i forstærkeren ifølge opfindelsen.

Som det det skal forklares nærmere nedenfor aftager spændingsforvrængningen over PIN-dioden, når strøm-35 men PIN-dioden vokser (stigende forstærkningsreduktion).

På denne måde og i modsætning til den kendte teknik vil DK 169802 B1 6 lineariteten i forstærkeren ifølge opfindelsen faktisk forbedres, når forstærkningen reduceres.

Den måde hvorpå disse fordele opnås forklares nærmere under henvisning diagrammet i fig. l.

5 Forstærkeren 10 er en resistansafhængig for stærker, der danner kernen i den log-lineære, forstærkningsregulerende mellemfrekvensforstærker. Forstærkeren 10 omfatter to aktive komponenter, nemlig komplementære transistorer 12 og 14, og har en indgangsmodstand 10 16. Hvis man et øjeblik ser bort fra frekvensafhængige impedanser i fig. l og kobler kredsen 24 fra og erstatter den med en modstand Rc (det forudsættes at Rc ikke er på mere end en tiendedel af værdien af udgangsimpedansen for transistoren 12 og indgangsimpedansen 15 for transistoren 14), og koncentrerer sig kun på transistorparametrene og modstandene kan man bevise at spændingsforstærkningen for forstærkeren 10 tilnærmelsesvis er lig med: 20 Vo / Vi = Rc / Ri, hvor

Vo er udgangsspændingen 25 Vi er indgangsspændingen

Rc er resistansen ved punktet 42, der styres af af PlN-dioden

Ri er forstærkerens indgangsmodstand.

30 Forstærkerens forstærkning udtrykkes således ved forholdet mellem dens indgangsimpedans Ri og PIN-diodens impedans Rc. Flere af de ovenfor omtalte fordele ved denne kobling resulterer af denne forstærknings og andre kredsløbsparametres afhængighed af PIN-diodens impedans 35 og egenskaber. Forstærkeren 10 kombinerer således spændingsforstærkningen i transistoren 12 med strøm- DK 169802 B1 7 forstærkningen i transistoren 14 for at skabe en global effektforstærkning med faste indgangs- og udgangsimpedanser.

Det der navnlig skal fremhæves her er, at for-5 stærkningen i forstærkeren 10 næsten udelukkende bestemmes af en funktion af forstærkningsstyreresistansen Rc i relation til indgangsmodstanden Ri og at den er mindre påvirket af transistorparametrene end hos forstærkere af tidligere kendt art. Med andre ord bestemmes 10 forstærkningen af resistansen eller impedansen ved punktet 26.

Den log-lineære forstærkningsstyring udføres af den kreds, der er vises ved 24. Som antydet i den foregående beskrivelse af forstærkeren 10 bestemmes dens 15 forstærkning af RF-impedansen ved punktet 26.

Kondensatorerne 28-34 er RF-afkoblingskonden-satorer, der i forstærkeren 10 bruges på konventionel måde, som ikke skal beskrives nærmere. Ligeledes er der en indgangskondensator 36 og en udgangskondensator 20 38, der begge på i og for sig kendt måde spærrer for jævnstrømskomposanten ved henholdsvis indgangen til og udgangen fra den i fig. 1 viste forstærker 10. Kondensatoren 40 overfører det RF-signal, der skal forstærkes til PlN-dioden 42. Det er velkendt, at RF-resi-25 stansen af PIN-dioden defineres af følgende ligning: log R = A + B log lp hvor 30 R er RF-resistansen af PIN-dioden 42, A og B er konstanter, der gælder for den enkelte diode, og lp er strømmen i gennemgangsretningen i 35 PIN-dioden 42.

DK 169802 B1 8

Ved påtrykkelse af en given spænding - Vc på dioden 42 kan RF-resistansen ændres. Modstandene 44 og 46 er strømbegrænsende modstande, der definerer maksimalværdien af den gennemgangsstrøm, som spændingen 5 Vc fremkalder i dioden 42. Modstandene 18, 20, 22, 48, og 50 er konventionelle modstande til forspænding af transistorerne 12 og 14, medens induktoren 52 vælges til fastsættelse af centerfrekvensen for forstærkeren 10.

10 Den effektive RF-resistans ved punktet 26 sty res således ved ændring af gennemgangsstrømmen i dioden 42. PlN-dioderne karakteriseres generelt ved, at de har en næsten ren modstand ved RF-frekvenserne og at værdien af denne resistans kan varieres fra ca. 10 kohm til 15 mindre end en ohm ved hjælp af styrestrømmen lp. Medens alle dioder til en vis grad udviser disse egenskaber er PIN-dioden optimal i denne karakteristik, over et bredt område af resistansværdier, med god linearitet, lav forvrængning og lille styrestrøm.

20 Der henvises til fig. 2. PIN-diodens overgangs spænding varierer som funktion af temperaturen. Derfor er det vanskeligt med nøjagtighed at styre forstærkningsstyrestrømmen lp, når styrespændingen direkte påtrykkes PIN-dioden, eftersom temperaturen af dioden 42 25 ændrer sig. For at kunne udføre denne styring erstatter man kredsen 24 i forstærkeren 10 i fig. 1 med en kreds, der i fig. 2 vises ved 54.

Forstærkningsstyrespændingen Vc kobles til indgangen til en operationsforstærker 56. Udgangssignalet 30 fra forstærkeren 56 er en spænding Vo og en forstærkningsstyrestrøm lp. En modstand 58 virker som strømbegrænsende modstand for dioden 42. På samme måde som 1 det foregående tilfælde er dioden 42 koblet til punktet 26 i forstærkeren 10 gennem koblingskonden- 35 satoren 40. For overskueligheds skyld har man fra fig.

2 udeladt den resterende del af forstærkeren 10. Man DK 169802 B1 9 kan straks se, at: lp = -Vc/Ri 5 hvor lp er forstærkningsstyrestrømmen ved udgangen fra forstærkeren 56, 10 Vc er forstærkningsstyrespændingen ved ind gangen til forstærkeren 56, og

Ri er indgangsresistansen i modstanden 60.

15 Det er vigtigt at bemærke, at lp er uafhængig af den jøvnstrømsmæssige overgangsspænding for dioden 42. Når den benyttes i den fig. 2 viste kreds vil gennemgangsstrømmen i dioden 42 derfor automatisk justeres for at gøres uafhængig af diodens jævnstrømsmæssige 20 overgangs spænding og derfor uafhængig af temperaturen.

Da lp således er temperaturuafhængig, vil diodens RF-resistans R i den ovenfor givne ligning også være temperaturuafhængig.

På denne måde har man således i et enkelt trin en 25 log-lineært forstærkningsstyret og temperaturuafhængig forstærker. Med andre ord har man i forstærkeren 10 en temperaturuafhængig, præcis forstærkningsstyring så længe der på indgangen til kredsen 54 i fig. 2 påtrykkes en log-lineær AGC-spænding Vc.

30 Af det foregående fremgår det, at opfindelsen gi ver anvisning på en forstærker, der indbefatter en PIN-diode, hvis resistans udnyttes til at styre forstærkningen i hvert enkelt trin. PIN-dioden bruges i en temperaturkompenseringskreds, således at diodens RF-resistans 35 er temperaturuafhængig. Til opnåelse af større forstærkningsværdier og bredere AGC-områder kan der sammenkobles

Claims (3)

1. Forstærkerkreds omfattende et første aktivt 25 trin med en udgang, som er koblet til en indgang til et andet aktivt trin, samt midler til dannelse af et tilbagekoblingssignal til det første trin, hvilke midler drives uafhængigt i relation til nævnte første og andet trin og tilvejebringer et logaritmisk-lineært tilbage-30 koblingssignal til det første trin, kendetegnet ved, at det første aktive trin har en transistor (12) i fællesbasiskobling, som danner nævnte udgang, at det andet trin omfatter en emitter følgertransistor (14), som har en indgang forbundet med ud-35 gangen på det første aktive trin, at nævnte midler til dannelse af et tilbagekoblingssignal udgøres af en PIN- DK 169802 Bl 11 diode (42), som drives af en i lederetning forspændt strøm for at variere PIN-diodens (42) impedans og derved tilvejebringe nævnte logaritmisk-lineære signal til det første trin for at bibringe dette trin en tilsvaren-5 de forstærkningskarakteristik, at den ene terminal på PIN-dioden (42) er koblet til udgangen på det første trin og til indgangen på det andet trin, og at den anden terminal på PIN-dioden (42) er koblet til jord.

2. Forstærkerkreds ifølge krav 1, k e n d βίο t e g n e t ved en kreds (24) til dannelse af nævnte i lederetning forspændte strøm og til justering af denne strøm til at være uafhængig af temperaturvariationer i forstærkerkredsen.

3. Forstærkerkreds ifølge krav 2, kende-lStegnet ved, at nævnte kreds (24) indbefatter en operationsforstærker (56), som har en udgang, og som på sin indgang og gennem en indgangsmodstand (Rj) får påtrykt en styrespænding (-vc), og som har en seriekobling af en modstand (R) og en diode (Dl), idet serie-20 koblingens ene terminal er koblet til operationsforstærkerens (56) udgang og seriekoblingens anden terminal er koblet til operationsforstærkerens (56) indgang.