NL8701026A

NL8701026A - Tegenkoppelversterker met nauwkeurig bepaalde ingangs- resp. uitgangsimpedantie in combinatie met hoge of lage uitgangs- resp. ingangsimpedantie.

Info

Publication number: NL8701026A
Application number: NL8701026A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 1987-04-29
Filing date: 1987-04-29
Publication date: 1988-11-16
Also published as: JPS63286013A; US4897610A; EP0289099A1

Description

N.0. 34309 1 ^

Korte aanduiding: Tegenkoppelversterker met nauwkeurig bepaalde ingangs- resp. uitgangsimpedantie in combinatie met hoge of lage uitgangs- resp. ingangsimpedantie.

Aanvraagster noemt als uitvinder: Ir. P.T.M. van Zeijl.

De uitvinding heeft betrekking op een tegenkoppelversterker voorzien van een, bij benadering als nullor werkend aktief ver-5 sterkergedeelte en een tegenkoppelgedeelte, waarbij de versterker een hoge lusversterking heeft. Een dergelijke tegenkoppelversterker is bekend uit het boek "Design of high-performance negative-feedback amplifiers" van E.H. Nordholt, uitg. Elsevier, Amsterdam, 1983.

In het algemeen wil men bij het versterken van signa-10 len van signaalbronnen, zoals antennes, filters, transmissielijnen en dergelijke, een optimale informatieoverdracht en een maximale vermo-gensoverdracht hebben. Hierbij moet de gewenste afsluitweerstand of de ingangsweerstand van de versterker gelijk zijn aan de karakteristieke weerstand van de bron. Aan de uitgang van de versterker is vaak een 15 hoge uitgangsimpedantie gewenst in verband met het stroomingangskarak-ter van de opvolgende mengtrap.

Op eenvoudige wijze kan een dergelijke signaalbron voor correcte aanpassing worden afgesloten met een weerstand, waarvan de stroom of de spanning daarover vervolgens door etr. -.trcomversterker 20 of transadmittantieversterker wordt versterkt zodat een hoge uitgangsimpedantie wordt verkregen. Een belangrijk nadeel hierbij is de extra ruis welke door de weerstand aan het signaal wordt toegevoegd. De invloed van deze ruis kan worden verminderd door het signaal eerst flink te versterken met eex> karakteristieke impedantieversterker. Dit heeft 25 als nadeel dat twee versterkers in plaats van één worden toegepast. Een probleem is tevens dat niet altijd veel versterking is toegestaan in verband met de beperkt beschikbare voedingsspanning.

In bovengenoemd boek zijn versterkers aangegeven, waarin door middel van de in een tegenkoppellus opgenomen transformator 30 een nauwkeurig bepaalde ingangsimpedantie en een hoge of lage uitgangsimpedantie wordt verkregen. De hierbij toegepaste transformatoren zijn echter niet integreerbaar en kunnen daarom voor geïntegreerde schakelingen niet worden toegepast.

De uitvinding beoogt nu een tegenkoppelversterker te 35 verschaffen die aan de ingang resp. de uitgang een nauwkeurig bepaalde impedantie en aan de uitgang resp. de ingang een extreme, zoals een 8 7 P : 0 2 « hoge of lage, impedantie heeft in combinatie met een zeer goed ruisgedrag en vermogensrendement en die geschikt is voor integratie.

Dit wordt bij een versterker van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding in een eerste uitvoering aldus 5 bereikt, dat het aktieve versterkergedeelte in gebalanceerde vorm met twee in balans geschakelde nullors is uitgevoerd, dat het tegenkoppel-gedeelte uit passieve impedanties bestaat en twee tegenkoppellussen omvat, zodanig dat elke nullor aan de ingangspoort een serie-aankoppel-keten en een parallelaankoppelketen heeft, waardoor een nauwkeurig 10 bepaalde of karakteristieke ingangsimpedantie wordt verkregen, en zodanig dat aan de uitgangspoort in beide tegenkoppellussen een serie of parallelaankoppelketen wordt gevormd waardoor resp. een hoge (stroomuitgang) of lage (spanningsuitgang) uitgangsimpedantie wordt verkregen.

15 Verder wordt dit bij een versterker van de in de aan hef genoemde soort volgens de uitvinding in een tweede uitvoering aldus bereikt, dat het aktieve versterkergedeelte in gebalanceerde vorm met twee in balans geschakelde nullors is uitgevoerd, dat het tegenkoppel-gedeelte uit passieve impedanties bestaat en twee tegenkoppellussen om-20 vat, zodanig dat elke nullor aan de uitgangspoort een serie-aankoppel-keten en een parallelaankoppelketen heeft, waardoor aan de versterker een nauwkeurig bepaalde of karakteristieke uitgangsimpedantie wordt verkregen, en zodanig dat aan de ingangspoort zowel een aan de uit-gangsstroom en spanningsgerelateerde stroom of spanning wordt toege~ 25 voerd, waardoor resp. een lage (stroomingang) of hoge (spanningsingang) ingangsimpedantie wordt verkregen.

Fet is uit bovengenoemd boek eveneens bekend om eer> versterker met of een aktieve tegenkoppeling of een indirekte tegenkop-peling te gebruiken teneinde een nauwkeurige ingangsimpedantie en een 30 hoge of lage uitgangsimpedantie te verkrijgen. Deze versterkers zijn dan wel integreerbaar. Bij een aktieve tegenkoppeling wordt in het tegenkoppelgedeelte een aktieve component gebruikt, hetgeen een bezwaar is. Bij een indirekte tegenkoppeling wordt niet het uitgangssignaal van de aktieve uitgang van de versterker maar het uitgangssignaal van de 35 blinde uitgang van de versterker tegengekoppeld. De belangrijke overdracht sparameters van deze beide uitgangen moeten daarom even groot en in gelijke mate (niet-)lineair zijn. Het grote nadeel van beide versterkers is de aanzienlijke ruis als gevolg van het tegenkoppelelement en de door dit element teweeggebrachte vervorming van het signaal.

3

De uitvinding zal aan de hand van uitvoeringsvoor-beelden nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen» waarin:

Figuren 1.1, 1.2 en 1.3 voorbeelden geven van ver-5 sterkers uit de stand van de techniek, en

Figuur 1.4 het algemene schema van een tweepoort geeft;

Figuren 2.1 en 2.2 een voorbeeld geven van een gebalanceerde versterker volgens de uitvinding met karakteristieke ingangs-10 impedantie en hoge uitgangsimpedantie (stroomuitgang);

Figuren 2.3 en 2.4 een voorbeeld geven van een gebalanceerde versterker volgens de uitvinding met karakteristieke ingangs-impedantie en lage uitgangsimpedantie (spanningsuitgang);

Figuren 2.5 en 2.6 een voorbeeld geven van een geba-15 lanceerde versterker volgens de uitvinding met lage ingangsimpedantie (stroomingang) en karakteristieke uitgangsimpedantie;

Figuren 2.7 en 2.8 een voorbeeld geven van een gebalanceerde versterker volgens de uitvinding met hoge ingangsimpedantie (spanningsingang) en karakteristieke uitgangsimpedantie; en 20 Figuur 3 een praktisch uitvoeringsvoorbeeld geeft van de versterker van figuur 2.1.

In de figuren 1.1 en 1.2 is aangegeven hoe een bron op zeer eenvoudige wijze kan worden afgesloten met een weerstand. De stroom door de weerstand (figuur 1.1) of de spanning over de weerstand 25 (figuur 1.2) kan worden versterkt resp. met een stroomversterker (nullor in figuur 1.1) of een transadmittantieversterker (nullor in figuur 1.2) zodat een hoge uitgangsimpedantie wordt verkregen. In deze gevallen wordt de overdracht van de versterker alleen door de (passieve) tegenkoppelelementen bepaald. Zoals eerder gesteld is een be-30 langrijk nadeel van de afsluiting van de bron} zoals een filter, met een weerstand dat de ruis van deze weerstand de signaal-ruisverhouding verslechtert. Het is mogelijk de invloed van deze ruis te verminderen door het signaal behoorlijk te versterker met een karakteristieke impe-dantieversterker, zoals aangegeven in figuur 1.3. Dan moeten echter 35 twee versterkers in plaats van één worden toegepast. In verband met de beperkt beschikbare voedingsvermogen kan echter niet altijd een tweede versterker worden toegepast.

¢7-0 1.: t 4

Uit het eerder genoemde artikel is het bekend om te-genkoppelversterkers te gebruiken waarmede ingangs- en uitgangsimpedan-ties van de versterker resp. aan de signaalbron en aan de belasting kunnen worden aangepast. Ten einde een signaaloverdracht van hoge kwa-5 liteit te verkrijgen zijn hierbij ingangs- en uitgangsimpedanties vereist die in hoofdzaak zeer groot of zeer klein, of lineair en nauwkeurig bekend zijn. Door het juiste type van negatieve terugkoppeling te nemen kan aan deze vereisten worden voldaan zonder dat het ruisgedrag en het vermogensrendement wezenlijk verminderd wordt.

10 Het is dan mogelijk voor elke combinatie van een ge geven bron en belasting een type versterker te kiezen dat de best mogelijke signaaloverdracht verschaft. Hierbij wordt uitgegaan van een ak-tief versterkergedeelte van de versterker dat een oneindige lusverster-king verschaft, daar in dit geval de overdrachteigenschappen van de 15 versterker volledig door de eigenschappen van het tegenkoppelgedeelte worden bepaald.

In figuur 1.4 is het schema aangegeven van een twee-poort waarvoor de volgende kettingmatrix geldt:

Γϋ.Ί ~ A B ü U. = AU + BI

20 1 u i u u I. C D I I. = CU + Dl 1 U X u u met A, B, C, D als transmissieparameters.

Hiernavolgend zijn aangegeven de van deze parameters 25 afgeleide transferparameters yu, ^ , ƒ , o< , afgeleid op de volgende wijze: yu — 1/A = JU /uTj j „ 0 (= spanningsversterking) L u -U 1u 1/B = £lu/uH u 0 (= transadmittantie) -* u 30 g = 1/C = [Uu/l7J j „ 0 (= transimpedantie) OL= 1/D = pu/ïi] u = o (= stroorwersterking)

Voor een nul lor geldt nu: A, B, C, D ·> 0 of i ’ °< ^ °° 35

Uit een afleiding via impedantietransformatie voor tweepoorten blijkt dat: '8701 0 ?. 6 5 de ingangsimpedantie : Z£ = (AZ]_ + B)/(CZ^ + D) waarin Z\ de belastingsimpedantie is; en de uitgangsimpedantie: Zu = (B + DZS)/(A + CZS) waarin Zs de bronimpedantie is.

5 De uitvinder heeft nu gevonden dat door gebruik te maken van een gebalanceerde versterker met twee slechts passieve impedanties bevattende tegenkoppellussen tussen twee in balans geschakelde nullors, aan de ingang een nauwkeurig bepaalde ingangsimpedantie en aan de uitgang een extreme, d.w.z. een hoge of lage, uitgangsimpedantie of 10 omgekeerd wordt verkregen. Dit is mogelijk doordat bij de in balans geschakelde versterkerdelen tevens het geïnverteerde signaal direct aanwezig is evenals dit bij de tegenkoppelversterker met transformator en de versterker met aktieve of indirekte terugkoppeling het geval is.

Hier fungeert het tegenkoppelelement hoofdzakelijk als signaalinvertor. 15 In de volgende figuren zijn voorbeelden aangegeven van versterkers volgens de uitvinding, waarin de passieve impedanties uit weerstanden bestaan. Het is duidelijk dat de passieve impedanties ook condensatoren, spoelen of combinaties daarvan kunnen omvatten.

De figuren 2.1 en 2.2 tonen een gebalanceerde ver-20 sterker met nauwkeurig bepaalde of karakteristieke ingangsimpedantie, waarbij in beide tegenkoppellussen de uitgangsstroom wordt afgestast en zowel een spanning als een stroom, afgeleid van de uitgangsstroom, wordt teruggevoerd naar de ingangspoort, waardoor een hoge uitgangs-impedantie (stroomuitgang) wordt verkregen. De versterker is hierbij op 25 twee manieren gerealiseerd en de volgende formules voor de transfer-parameters en ingangs- en uitgangsimpedantie zijn van toepassing: ƒ= I/R4 £l + (R3a+R3b+2R4>/(R2a+R2b> + (R3a+R3b+R4)/Rïj 30 «-g + (R2a+R2b>/<R3a+R3b+2R4>* (1 + (R3a+R3b+R4>/Rl3 zi = (R2a+R2b(R3a+R3b+2R4^ > zu p =co ; ƒ =00 35 Zoals ook uit de formule voor Z£ blijkt is de weer stand R| in figuur 2.1 en 2.2 niet van belang voor de karakteristieke ingangsimpedantie Zj en de uitgangsimpedantie Zu.

In de versterker van figuur 2.1 is de serie- aankop-pelketen direct met de ene nullor verbonden terwijl de parallelaankop- 87 π ; : ;Hi 0 6 pelketen naar de andere nullor leidt. In de versterker van figuur 2.2 is de parallelaankoppelketen direct met de ene nullor verbonden terwijl de serie-aankoppelketen naar de andere nullor leidt.

De figuren 2.3 en 2.4 tonen een gebalanceerde ver-5 sterker met een nauwkeurig bepaalde ingangsimpedantie, waarbij in beide tegenkoppellussen de uitgangsspanning wordt afgetast en zowel een stroom als spanning, afgeleid van de uitgangsspanning, wordt teruggevoerd naar de ingangspoort, waardoor een lage uitgangsimpedantie (span-ningsuitgang) wordt verkregen. De versterker is weer op twee manieren 10 gerealiseerd. De volgende formules voor de transferparameters en de ingangs- en uitgangsimpedantie zijn van toepassing: A1 “ 1 + (R3a+R3b)/R4 l = (R2a+R2b) (R3a+Rab+R4)/(R3a+R3b+2R4) 15 Ζ£ = (R2a+R2b)R4/(R3a+R3b+2R4) zu = ° ^ = OO· C* =03

Door van de in de versterkers van de figuren 2.1 tot en met 2.4 toegepaste nullors de ingangen en uitgangen te verwisselen 20 worden versterkers verkregen met een lage of hoge ingangsimpedantie (stroom- of spanningsingang) en een nauwkeurig bepaalde (karakteristieke) uitgangsimpedantie. Bij deze versie van de versterkers wordt een verdubbeld uitsturingsbereik aan de uitgang verkregen ten opzichte van de bekende versterkers met een karakteristieke uitgangsimpedantie die 25 met behulp van serie- of parallelweerstanden aan de uitgang is verkregen.

De figuren 2.5 en 2.6 tonen een gebalanceerde versterker met nauwkeurig bepaalde of karakteristieke uitgangsimpedantie, waarbij in beide tegenkoppellussen de uitgangsstroom en de uitgangs-30 spanning worden afgetast en een stroom hieruit wordt afgeleid die naar de ingangspoort wordt teruggevoerd, waardoor een lage ingangsimpedantie (stroomingang) wordt verkregen. De versterker is weer op twee manieren gerealiseerd. De volgende formules voor de transferparameters en de ingangs- en uitgangsimpedantie zijn van toepassing: 35 04 = 1 + (R3a+R3b>/R4 J = (R2a+R2b) (R3a+R3b+R4>/(R3a+R3b+2R4>

Zu — ^R2a+R2b^R4/(R3a+R3b+2R4^ 5 zi “ ® ƒ =°o;/l = o°

Cl Λ - ' ί: > * V r.- 7

De figuren 2.7 en 2.8 tonen een gebalanceerde versterker met nauwkeurig bepaalde of karakteristieke uitgangsimpedantie, waarbij in beide tegenkopellussen de uitgangsstroom en de uitgangsspan-ning worden afgetast en een spanning hieruit wordt afgeleid die naar de 5 ingangspoort wordt teruggevoerd, waardoor een hoge ingangsimpedantie (spanningsingang) wordt verkregen. Ook hier is de versterker weer op twee manieren gerealiseerd. De volgende formules voor de transferpara-meters en de ingangs- en uitgangsimpedantie zijn van toepassing: 1/¾. [l + (R3a+R3b+2R4)/(R2a+R2b) +

10 (R3a+R3b+R4)/RB

u = jï + (R2a+R2b)/(R3a+R3b+2R4)· (1 + (R3a+R3b+R4)/Rl[j zu " ^R2a+R2b^R4/(R3a+R3b+2R4^ 5 zi = 00 =00; ƒ =00 15 Ook bij de versterker van figuur 2.7 en 2.8 geldt weer dat de weerstand Rj niet werkelijk van belang is en niet in de ingangs- en uitgangsimpedantie voorkomt. Doordat er aan de uitgang geen weerstand in serie of in parallel aanwezig is, die overeenkomt met de uitgangsimpedantie, kan de versterker verder worden uitgestuurd of kan 20 de vermogensopname uit de voeding beperkt blijven ten opzichte van de bekende versterkers.

In figuur 3 is een praktisch uitvoeringsvoorbeeld van het in figuur 2.1 aangegeven versterkertype volgens de uitvinding aangegeven.

25 De genoemde vier versterkers (figuur 2.1/2, 2.3/4, 2.5/6 en 2.7/8) zijn dus elk op twee manieren te realiseren. Zoals eerder gesteld zijn de voordelen ten opzichte van de bestaande versterkers dat zij integreerbaar zijn en gebalanceerd uitgevoerd. Doordat de terugkoppellussen van de onderhavige versterkers slechts uit passieve 30 impedanties bestaan, kan een zeer lineaire overdracht worden verkregen in tegenstelling tot de bekende versterkertypen met aktieve en indirek-te tegenkoppeling. Verder hebben de versterkertypen van de figuren 2.1 tot 2.4 een zeer lage ruisbijdrage aan de signaaloverdracht terwijl de versterkertypen van de figuren 2.5 tot 2.8 vooral belangrijk zijn in 35 verband met de extra uitsturing, zodat weinig of geen rendementsverlies aan de uitgang optreedt.

Met voordeel kunnen de bovengenoemde gebalanceerde versterkers worden gebruikt in alle toepassingen waarbij een karakteristieke impedantie-afsluiting of aansluiting gewenst is terwijl een 87 0 1 : f, 8 stroom- of spanningingang of -uitgang gewenst is. Verder kunnen de gebalanceerde versterkers worden gebruikt voor het afsluiten of aansturen van LC- en akoestische-oppervlaktegolffliters.

Tevens kunnen de gebalanceerde versterkers met voor-5 deel worden gebruikt bij RC-fliters, waarbij de nauwkeurige ingangsim-pedantie de R van de RC-keten voorstelt. Deze R is dan een weerstand die niet of nauwelijks thermisch ruist (zgn. koude weerstand).

β ? f?· '5 r ·'* ^

Claims

1. Tegenkoppelversterker voorzien van een, bij benadering als nullor werkend aktief versterkergedeelte en een tegenkoppel-gedeelte, waarbij de Versterker een hoge lusversterking heeft, met het kenmerk, dat het aktieve versterkergedeelte in gebalan-5 ceerde vorm met twee in balans geschakelde nuHors is uitgevoerd, dat het tegenkoppelgedeelte uit passieve impedanties bestaat en twee tegenkoppellussen omvat, zodanig dat elke nullor aan de ingangspoort een serie-aankoppelketen en een parallelaankoppelketen heeft, waardoor een nauwkeurig bepaalde of karakteristieke ingangsimpedantie wordt ver-10 kregen, en zodanig dat aan de uitgangspoort in beide tegenkoppellussen een serie- of parallelaankoppelketen wordt gevormd, waardoor resp. een hoge (stroomuitgang) of lage (spanningsuitgang) uitgangsimpedantie wordt verkregen.

2. Tegenkoppelversterker voorzien van een bij benade-15 i'i g i !t rtillot werkend aktief versterkergedeelte en e.t-n 1 tgenkoppelge- deelte, waarbij de versterker een Loge lusversterking heeft, met het kenmerk, dat het aktieve versterkergedeelte in gebalanceerde vorm met twee in balans geschakelde nullors is uitgevoerd, dat het tegenkoppelgedeelte uit passieve impedanties bestaat en twee tegen-20 koppellussen omvat, zodanig dat elke nullor aan de uitgangspoort een serie-aankoppelketen en een parallelaankoppelketen heeft, waardoor aan de versterker een nauwkeurig bepaalde of karakteristieke uitgangsimpe-dantie wordt verkregen, en zodanig dat aan de ingangspoort zowel een aan de uitgangsstroom en spanning gerelateerde stroom of spanning wordt 25 toegevoerd, waardoor resp. een lage (stroomingang) of hoge (spannings-ingang) ingangsimpedantie wordt verkregen.

3. Tegenkoppelversterker volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat in beide tegenkoppellussen de uitgangsstroom wordt afgetast, waarbij zowel een spanning als een stroom, afgeleid van 30 de uitgangsstroom, wordt teruggevoerd naar de ingangspoort, waardoor de versterker een hoge uitgangsimpedantie heeft (fig. 2.1 en 2.2).

4. Tegenkoppelversterker volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat in beide tegenkoppellussen de uitgangsspan-ning wordt afgetast, waarbij zowel een stroom als spanning, afgeleid 35 van de uitgangsspanning, wordt teruggevoerd naar de ingangspoort, waardoor de versterker een lage uitgangsimpedantie heeft (fig. 2.3 en 2.4).

870. C·‘ 6 €

5. Tegenkoppelversterker volgens conclusie 2, m e t het kenmerk, dat in beide tegenkoppellussen de uitgangsstroom en de uitgangsspanning wordt afgetast waarbij een stroom hieruit wordt afgeleid, die naar de ingangspoort wordt toegevoerd, waardoor de ver- 5 sterker een lage ingangsimpedantie heeft (fig. 2.5 en 2.6).

6. Tegenkoppelversterker volgens conclusie 2, m e t het kenmerk, dat in beide tegenkoppellussen de uitgangsstroom en de uitgangsspanning wordt afgetast, waarbij een spanning hieruit wordt afgeleid die naar de ingangspoort wordt teruggevoerd, waardoor de 10 versterker een hoge ingangsimpedantie heeft (fig. 2.7 en 2.8). 8 7 0 1 ' '