FI95331B - Kytkentäjärjestely sähkösignaalien tason säätämiseksi - Google Patents

Description

95331

Kytkentäjärjestely sähkösignaalien tason säätämiseksi

Keksintö kohdistuu kytkentäjärjestelyyn sähkösignaalien tason säätämiseksi, jonka avulla yhteen tuloon 5 syötettyjä signaaleita säädetään samana pysyvälle tasolle.

Tällaista kytkentäjärjestelyä käytetään periaatteessa jo saatavissa säädetyissä vahvistimissa. Nimitystä "vahvistin" käytetään ammattimiesten keskuudessa myös silloin, kun esimerkiksi virtaa ei oikeastaan vahvisteta, eli 10 kohoteta, vaan myös silloin, kun virtaa säätöä varten tarvitsee pienentää. Yksinkertaisuuden vuoksi käytetään jatkossa termin "kytkentäjärjestely" sijaan lyhyempää termiä "vahvistin". Vahvistimen käyttö on analogisten ja digitaalisten signaalien kohdalla ongelmatonta silloin, kun ky-15 .seessä on jatkuva signaalisiirto. Liian korkea tulosignaa-li voidaan muokata esimerkiksi vahvistimen yliohjauksen välityksellä. Ongelmia syntyy sitä vastoin ns. "pursketoi-minnassa", jossa muokattavat signaalit, purskeet, sijaitsevat osittain suurillakin etäisyyksillä. Signaalisiirto 20 on ei-jatkuvaa esimerkiksi siirrettäessä signaaleita kaksisuuntaisesti aikajakomenetelmällä. Tähän saakka tunnetuilla vahvistimilla ei tällaisten signaalien moitteeton muokkaus ole mahdollista. Signaalit pikemminkin vääristyvät, koska tunnettujen vahvistimien kaistanleveys ja dy-25 naaminen alue eivät riitä, jotta myös suurilla etäisyyksillä saapuvat pursueet voidaan muuntaa tasoltaan pysyväksi lähtösignaaliksi. Tämä tunnettujen vahvistimien puute voi johtaa siihen, että niiden lähdöstä ei saada käyttökelpoista signaalia. Tällöin ei signaalisiirto kaiken 30 kaikkiaan ole mahdollista.

Keksinnön tehtävänä on aikaansaada kytkentäjärjestely, jonka avulla sähkösignaalien tasoa voidaan säätää laajalla taajuusalueella myös hyvin erilaisilla tasoilla ilman vääristymien syntymistä.

95331 2 Tämä tehtävä ratkaistaan edellä kuvatun tyyppisen keksinnön mukaisen kytkentäjärjestelyn avulla siten, - että sarjaan ensimmäisen, tuloon liitetyn, ensimmäisen säädettävän vastuksen käsittävän vahvistimen kanssa, joka 5 toimii maksimaalisella vahvistuksella tulossa olevan sig-naalitason ollessa alhainen, on kytketty toinen vahvistin, joka käsittää toisen säädettävän vastuksen ja sarjaan tämän kanssa kytketyn virtaohjatun jännitelähteen, jossa on kaksi komplementaarista lähtöä, 10 - että jännitelähteen lähtöihin on liitetty vertailija ja säädin käsittäen kaksi erillistä lähtöä, joista aina toinen antaa ohjaavan signaalin samalla kun toisesta lähtee samanaikaisesti estosignaali, ja - että säätimen toinen lähtö on liitetty ensimmäiseen sää-15 dettävään vastukseen, kun taas säätimen toinen lähtö on liitetty toiseen säädettävään vastukseen.

Tällä tavoin koottu kytkentäjärjestely toimii kohi-nattomasti, koska kriittisellä alueella tulosignaalien alhaisella tasolla tapahtuu ensimmäisen vahvistimen väli-20 tyksellä aina maksimaalinen vahvistus. Se takaa lisäksi leveäkaistaisen toimintatavan dynaamisen alueen ollessa suuri. Kaiken kaikkiaan varmistetaan tulosignaalien muokkaus ilman vääristymiä. Tämä kaikki saavutetaan vahvistimien sarjaliitännän välityksellä, joita kumpaakin säädin 25 säätää peräkkäin. Heikko tulosignaali vahvistetaan ensiksi ensimmäisen vahvistimen välityksellä, jonka vahvistus on maksimaalinen. Kun vahvistus ei riitä, ottaa toinen vahvistin hoitaakseen signaalitason säätämisen edelleen. Jos tulossa on vahva signaali, joka täytyy säätää alaspäin 30 kytkentäjärjestelyn välityksellä, on järjestys päinvastainen.

Tämän tarkoin määritellyn tasoalueiden järjestelyn välityksellä toisaalta ensimmäiselle vahvistimelle ja toisaalta toiselle vahvistimelle varmistetaan, että ensiksi 35 alhaisella tulotasolla tuloasteen vahvistus on maksimaa- > m i mm i i « 95331 3 linen ja toiseksi liian korkea tulotaso lasketaan jo hyvissä ajoin (yliohjauslujuus).

Keksinnön edulliset suoritusmuodot ilmenevät alavaatimuksista .

5 Keksinnön kohteen suoritusmuotoesimerkkej ä kuvataan piirustuksissa. Ne esittävät: kuvio 1 keksinnön mukainen kytkentäjärjestely erittäin paljon yksinkertaistettuna esityksenä, ja kuvio 2 kytkentäjärjestelyn yksityiskohta.

10 Kuvion 1 mukainen kytkentäjärestely toimii esimerkiksi seuraavasti: Signaalilähteeltä 1 tulolle E tuotu sähkösignaali syötetään summauspisteen S välityksellä vir-tavahvistimelle 2. Virtavahvistimen 2 lähtövirta muunnetaan muuntimessa 3 vastakkaisesti verrannolliseksi jän-15 nitteeksi. Tämä jännite ohjataan säädettävän vastuksen 4 kautta takaisin summauspisteeseen S. Rinnan säädettävän vastuksen 4 kanssa sijaitsee ohminen vastus 5. Vastukset 4 ja 5 muodostavat yhdessä takaisinkytkentäverkon. Virtavah-vistin 2 vahvistaa myös virran, joka on suromauspisteessä S 20 toisaalta signaalilähteeltä 1 ja toisaalta säädettävältä vastukselta 4 tulevien virtojen erotuksena. Osat 2, 3, 4 ja 5 esittävät ensimmäistä, pistekatkoviivoin ympäröityä, vastakytkettyä vahvistinta GV, jonka takaisinkytkentäte-kijää voidaan säätää laajalla alueella (> 40 dB).

25 Sarjaan ensimmäisen vahvistimen GV kanssa on kyt ketty toinen, myös pistekaktoviivalla ympäröity vahvistin LV. Vahvistimeen LV kuuluvat toinen säädettävä vastus 6 ja sarjaan tämän kanssa kytketty, virtaohjattu jännitelähde 7 käsittäen kaksi komplementaarista lähtöä AI ja A2. Jänni-30 telähteen 7 molemmat lähdöt AI ja S2 on liitetty vertaili-jaan 8, joka digitalisoi viereisen säädetyn signaalin amplitudi valinnan avulla ja asettaa sen käytettäväksi lähtöön A digitaalisena signaalina. Säädettävän vastuksen 6 rinnalle on kytketty ohminen vastus 9.

95331 4 Jännitelähteen 7 lähtösignaali haaroitetaan symmetrisesti lähdöissä AI ja A2 ja syötetään säätimelle 10, jossa on kaksi edullisessa suoritusmuodossa käänteistä lähtöä A3 ja A4. Näissä lähdöissä on jännitteet, jotka 5 itseisarvoltaan ovat yhtä suuret, mutta vastakkaismerkkiset. Lähdön A3 kautta vaikutetaan säädettävään vastukseen 4, kun taas lähtö A4 ohjaa säädettävää vastusta 6.

Säätimen lähtöjen A3 ja A4 ei tarvitse olla vastakkaisia. Täytyy vain varmistaa, että toinen lähtö antaa 10 estosignaalin siten, että liitetty vastus ei reagoi, kun toinen lähtö luovuttaa ohjaavan signaalin. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi siten, että se lähtö, josta estosig-naali lähtee, maadoitetaan.

Oletettakoon, että signaalilähteestä 1 lähtee voi-15 makas signaali, joka jännitelähteen 7 lähdöissä AI ja A2 johtaa korkeaan tasoon. Jännitelähteen 7 liian korkea lähtösignaali syötetään säätimelle 10, joka voi olla esimerkiksi integroiva säädin, joka säätää lähtönsä A4 välityksellä säädettävää vastusta 6. Esimerkiksi positiivinen 20 jännite lähdössä A4 pienennetään tätä varten lähdössä A4 säätimen 10 välityksellä, joten vastuksen 6 vastusarvo kasvaa. Samanaikaisesti säilyy jännite lähdössä A4 negatiivisena tai maassa, joten tästä lähdöstä lähtee estosig-naali ja vastusta 4 ei säädetä. Kaiken kaikkiaan lasketaan 25 täten tasoa jännitelähteen 7 lähdöissä AI ja A2.

Tämän lähtötason alentamista vastuksen 6 välityksellä rajoitetaan rinnan kytketyn vastuksen 9 välityksellä, jotta signaalin korkeat spektriosuudet eivät siirry pääasiassa väistämättömien pitkittäiskapasiteettien kaut-30 ta. Tästä olisi seurauksena signaalivääristymiä. Vastuksen 9 avulla tapahtuvan dynaamisen rajoituksen välityksellä ei siten yksin voida välttämättä saavuttaa säädettävän vastuksen 6 välityksellä haluttua tason alenemista lähdöissä AI ja A2.

95331 5

Samanaikaisesti positiivisen jännitteen alenemisen kanssa säätimen 10 lähdössä Ά4 vähenee (käänteisissä lähdöissä A4 ja A4) negatiivinen jännite itseisarvoltaan tämän lähdössä A3. Tämä ei kuitenkaan aivan riitä säädettä-5 vän vastuksen 4 säätämiseksi. Vasta kun jännite lähdössä A3 tulee positiiviseksi, tapahtuu vastuksen 4 säätö. Tällöin negatiivinen jännite säätimen 10 lähdössä A4 pitää -estosignaalina - vastuksen 6 säädetyssä arvossa.

Kun siis tason alentaminen jännitelähteen 7 lähiö döissä AI ja A2 ei ole enää mahdollista vastuksen 6 avulla ja tämä taso on kuitenkin yhä liian korkea, toteutetaan tällöin muu alassäätö säädettävän vastuksen 4 välityksellä. Nousevalla positiivisella jännitteellä säätimen 10 lähdössä A3 pienennetään säädettävän vastuksen 4 vastus-15 arvoa siten, että virtojen erotus summauspisteessä S pienenee (toimiva vastakytkentä suurenee tällöin). Virtavah-vistimelle 2 syötetään siis niin paljon pienennetty virta, että jännitelähteen 7 lähdöissä AI ja A2 on haluttu stabiili taso.

20 Jos signaalilähteeltä 1 tulee vain heikko signaali, tapahtuu seuraavaa: Säädettävän vastuksen 4 arvo kasvaa aluksi laskevan positiivisen jännitteen välityksellä säätimen 10 lähdössä A4. Takaisinkytkentäverkon 4/5 maksimaalista arvoa rajoitetaan vastuksen 5 välityksellä.

25 Jotta kokonaisvahvistusta voidaan kasvattaa edelleen, pienennetään ohjausjännitettä säätimen 10 lähdössä A3 niin kauan (A4 kasvaa vastaavasti), kunnes säädettävä vastus 6 on laskenut arvoon, josta on tuloksena haluttu taso jännitelähteen 7 lähdöissä AI ja A2.

30 Säädettävät vastukset 4 ja 6 eivät ole lineaarisia komponentteja. Ne on esitetty kuviossa 1 yksinkertaistetusti säätövastuksina. Edullisessa suoritusmuodossa vastukset 4 ja 6 on suunniteltu kenttävaikutustransistoreiksi, joiden ohjauselektrodeihin, hiloihin, on liitetty sää-35 timen 10 molemmat lähdöt A3 tai A4. Kuvio 2 kuvaa tällais- 95331 6 ta kenttävaikutustransistoria säädettävänä vastuksena 4. Tässä tapauksessa on kyse symmetrisesti rakennetusta D-MOSFET:ista, jonka hilaelektrodi G on liitetty säätimen 10 lähtöön A3. Rinnalle kytketty vastus 5 on liitetty 5 elektrodeihin Source S ja Drain D. Alustaelektrodi B on kytketty maahan. Samanlaista järjestelyä voidaan käyttää vastusta 6 varten.

Virtaohjattu jännitelähde 7 on esimerkiksi trans-impedanssivahvistin, jossa on kaksi symmetristä lähtöä Ai 10 ja A2 (vastakytkettyä lähtöä).

Claims (5)

95331

1. Kytkentäjärjestely sähkösignaalien tason säätä-5 miseksi, jonka avulla säädetään yhteen tuloon syötettyjä signaaleita samana pysyvään tasoon, tunnettu siitä, - että sarjaan ensimmäisen, tuloon (E) liitetyn, ensimmäisen säädettävän vastuksen (4) käsittävän vahvistimen (GV) 10 kanssa, joka toimii maksimaalisella vahvistuksella tulossa olevan signaalitason ollessa alhainen, on kytketty toinen vahvistin (LV), joka käsittää toisen säädettävän vastuksen (6) ja sarjaan tämän kanssa kytketyn virtaohjatun jännitelähteen (7), jossa on kaksi komplementaarista lähtöä (AI,

15 A2), - että jännitelähteen (7) lähtöihin (AI, A2) on liitetty vertailija (8) ja säädin (10) käsittäen kaksi erillistä lähtöä (A3, A4), joista aina toinen luovuttaa ohjaavan signaalin samalla kun toisesta lähtee samanaikaisesti es- 20 tosignaali, ja - että säätimen (10) toinen lähtö (A3) on liitetty ensimmäiseen säädettävään vastukseen (4), kun säätimen (10) toinen lähtö (A4) on liitetty toiseen säädettävään vastukseen (6).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäjärjes tely, tunnettu siitä, että rinnan säädettävien vastusten (4, 6) kanssa on kytketty aina yksi ohminen vastus ( 5, 9 ).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kytkentä- 30 järjestely, tunnettu siitä, että säädettävät vas tukset (4, 6) on suunniteltu kenttävaikutustransistoreik-si, joiden ohjauselektrodeihin on liitetty kulloinkin yksi säätimen (10) lähdöistä (A3, A4). 95331

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että virtaohjattuna jännitelähteenä (7) käytetään transimpedanssivahvistinta.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen kytken-5 täjärjestely, tunnettu siitä, että säätimessä (10) on kaksi käänteistä lähtöä (A3, A4), joiden jännite-arvot ovat itseisarvoltaan samat. Il ! Mit «Iti l!i * M 95331