NO170510B - Kaskadekoplet innvendig impedansavhengig forsterker med noeyaktig variabel forsterkningskontroll - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en forsterkerkrets omfattende et første aktivt trinn med en utgang som er koblet til en inngang på et andre aktivt trinn, og der middel er tilveiebragt for å levere et tilbakekoblingssignal til det første trinnet, idet nevnte middel drives uavhengig i forhold til nevnte første og andre trinn og gir et logaritmisk-lineært tilbakekoblingssignal til det første trinnet. En slik konstruksjon tilsikter at temperaturuavhengighet og nøyaktig forsterkningsstyring tilveiebringes.

Innenfor visse typer av anvendelser er nøyaktige forsterkningsstyring av den elektroniske kretsen vesentlig for effektiv eller nyttig funksjonering hos systemet. En slik klasse av systemer omfatter radarsystemer, særlig de radarsystemer som krever flere kanaler og nøyaktig lik forsterkningsstyring.

Innenfor den kjente teknikk ble forsterkningsjusteringer i forsterkere i radarsystemer foretatt under anvendelse av en delta forsterkningsstyring AGC krets for flere kanaler i forsterkeren. Selv hvor hver kanal justeres separat, må imidlertid den relative forsterkning blant kanaler ikke bare initielt kalibreres eller utlignes, men slik utligning må opprettholdes likeledes over tid. Derfor har tidligere praksis vært å tilveiebringe en ytterligere deltaforsterk-ningsstyring AGC krets og kompensere for drift i forsterkning blant de forskjellige kanaler hos en flerkanals forsterker. Ikke desto mindre krever slik tidligere kjente konstruksjoner periodisk kontrollering for å tilpasse forsterkningen i nevnte flertall av kanaler.

I tillegg påvirker tidligere kjente kretser, som innbefatter visse typer av forsterkningsreduksjon på naturlig måte, p.g.a. deres konstruksjon, støytallet for forsterkeren, nemlig desto høyere forsterkningsreduksjon, desto høyere støytall. Likeledes kan forsterkningen i slike tidligere kjente kretser bli ulineær ved høy forsterkningsreduksjon. DE off.skrifter 2246757 og 2352587 samt JP patentpubl. 57-91009 beskriver fremgangsmåter for å kontrollere forsterkningen i en impedansstyrt forsterker, ved at en variabel motstand er koplet til et forutbestemt knutepunkt innenfor eller til nevnte impedansstyrte forsterker, idet denne kjennetegnes ved å ha en forsterkning som bestemmes av impedansen ved knutepunktet, og at nevnte variable motstand som er koplet til knutepunktet varieres på en logaritmisk lineær måte.

DE off.skrift 2352587 viser dessuten et første og et andre aktive trinn, hvor det inngår middel (12) for å tilveiebringe et tilbakekoplingssignal til nevnte første trinn, idet nevnte middel drives uavhengig med hensyn til nevnte første og andre trinn, og tilveiebringer et logaritmisk lineært tilbakekoplingssignal (Ic) til nevnte første trinn.

Det som behøves så er en konstruksjon av en forsterker som har en nøyaktig f orsterkningsstyring som er av en slik konstruksjon at: (a) behovet for periodisk kontrollering, særlig i en flerkanals forsterker elimineres, og

(b) forsterkninger taper ikke linearitet eller lider av en forringelse av dens støytall med høyere forsterk-ningsreduksj on.

Oppfinnelsen vedrører en forsterkerkrets av innledningsvis nevnte type og som kjennetegnes ved at det første aktive trinnet har en basiskoblet (common base) transistor som tilveiebringer nevnte utgang, at det andre aktive trinnet omfatter en emitterfølger transistor som har en inngang koblet til utgangen på det første aktive trinnet, at nevnte middel for tilveiebringelse av et tilbakekoblingssignal utgjøres av en PIN diode som drives av en i lederetning forspent strøm for å variere PIN diodens impedans og derved tilveiebringe nevnte logaritmisk-lineære signal til det første aktive trinnet for å gi dette en tilsvarende forsterkningskarakteristikk, og der én terminal på nevnte PIN diode er koblet til utgangen på det første aktive trinnet og til inngangen på det andre aktive trinnet, og den andre terminalen på nevnte PIN diode er koblet til jord.

Med AGC (accurate gain control) forstås nøyaktig forsterkningsstyring.

Ifølge ytterligere utførelsesformer av forsterkerkretsen omfatter den dessuten kretsmidler for å tilveiebringe nevnte strøm forspent i lederetning og for å justere nevnte strøm til å være uavhengig av temperaturvariasjoner i forsterkerkretsen. Nevnte kretsmiddel omfatter med fordel en operasjonsforsterker som har en utgang og en styrespenning koblet til sin inngang gjennom en inngangsmotstand, og en seriekoblet motstand og diode, der én terminal av seriekoblingen er koblet til utgangen på operasjonsforsterkeren og der den andre terminalen er koblet til inngangen på operasjonsforsterkeren .

Oppfinnelsen skal nå nærmere beskrives under henvisning til de vedlagte tegningsfigurer.

Fig. 1 er et koplingsskjerna over en mellomfrekvens (MF)

enkelt-trinnsforsterker som innbefatter oppfinnelsen. Fig. 2 er et koplingsskjerna over en temperaturkompenserings-delkrets som anvendes i kombinasjon med deler av kretsen i fig. 1. Fig. 3 er et blokkskjema over en flerhet av forsterkere som beskrevet i forbindelse med fig. 1 og 2 vist som seriemessig koplet i kaskade.

En innvendig impedansavhengig forsterker har en forsterkning som bestemt av impedansen i et forutbestemt knutepunkt innenfor forsterkeren. En PIN-diode er koplet til det forutbestemte knutepunktet. PIN-dioden drives med en strøm i lederetning som tjener som det nøyaktige forsterkningsstyring (AGC) signalet for forsterkeren. I den foretrukne utførelsesform drives PIN-dioden av en operasjonsforsterker på en slik måte at impedansen som således koples til det forutbestemte knutepunktet i forsterkeren er temperaturuavhengig. P.g.a. at PIN-dioden har en impedans gitt ved:

hvor:

E er impedansen for PIN-dioden,

IP er strømmen i lederetningen, og

A og B er konstanter som er forskjellige for hver PIN-diode ,

er AGC-spenningen som påtrykkes operasjonsforsterkeren som driver PIN-dioden logaritmisk lineær med hensyn til impedansen for PIN-dioden og derfor også logaritmisk lineær med hensyn til spenningsforsterkningen i den impedansavhengige forsterkeren som PIN-dioden er koplet til. Denne karakteristikk av forsterkerens forsterkning tillater forsterkeren å bli kaskadekoplet i serie og å bevare det samme impedans-forholdet som uttrykt ovenfor for også den kaskadekoplete serie av forsterkere. Således er spenningsforsterkeren for den kaskadekoplete serien av forsterkere også logaritmisk lineær med hensyn til en felles AGC-spenning som tilføres hver av forsterkerne i serien.

Som det vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse, er støytallet for forsterkeren eller en kaskade av slike forsterkere i alt vesentlig uavhengig av AFK-spenningen p.g.a. at forsterkning bestemmes av PIN-diodens impedans, hvis bidrag til støytall er relativt uavhengig av størrelsen av impdansen eller i verste fall en meget sakte varierende funksjon av dens impedans.

Oppfinnelsen vedrører en forsterker som er temperaturuavhengig og forsterkningsfølgende ved å anvende høyfrekvens (RF) karakteristika for en PIN-diode. Det er kjent at logaritmen av rf motstanden i en PIN-diode er logaritmisk lineær med hensyn til dens strøm i lederetning. Forsterkeren ifølge den foreliggende oppfinnelse får således sin forsterkning styrt motstandsmessig. Ved å anvende en logaritmisk lineær PIN-diode som det forsterkningsbestemmende resistive element, kan forsterkerens forsterkning så gjøres logaritmisk lineær relativt forsterkningsstyrespenningen. Som et resultat derav realiseres en forsterker med et høyt dynamisk område, lav intermodulasjonsforvrengning og forsterkningsstyring med utgangsstøy redusert proporsjonalt med forsterkningsreduksjonen. Eksempelvis, med en typisk PIN-diode i en kaskadekoplet forsterker, blir forsterknings-styringsnøyaktigheten bedre enn 0,5 dB over et område av 60 dB med temperaturendringer av mer enn 25° C i temperatur-området -55'C til 85°C oppnådd.

Funksjonen av forsterkerens forsterkning kan bekreftes ved å ta inngangs- og utgangsavlesninger på kun to punkter. Dette resulterer i betydelig enkelhet ved forsterknlngskalibrering.

P.g.a. lettheten med forsterknlngskalibrering, muliggjør konstruksjonen av forsterkeren lett at justeringer kan foretas, idet det tas i betraktning de individuelle konstanter for det operative forsterkningsbestemmende element, dvs. PIN-dioden. Slik det vil kunne konstateres nedenfor, blir senterfrekvensen for forsterkeren satt ved hjelp av et enkelt induktivt element som tillater en hybridkretskon-struksjon av liten størrelse og lett justerbar ytelse. Dette gjør konstruksjonen av en universell kretsblokk brukbar i et bredt utvalg av anvendelser uten at noen omkonstruering behøves.

Av spesiell fordel er det faktum at ettersom forsterkningsstyrespenningen endrer seg i kretsen, vil fasen av senterfrekvensen ikke endre seg. Dette er klart en fordelaktig attributt hvor, som i radarkretser, fasen av et mottatt signal bærer vesentlig informasjon. I den kjente teknikk var kompensering av en viss sort nødvendig for å ivareta fase-endringer i senterfrekvensen for de avstemte forsterkere ettersom forsterkning endret seg. Dette er unødvendig i kretsen ifølge oppfinnelsen.

Slik det vil bli ytterligere beskrevet nedenfor, ettersom strømmen i PIN-dioden øker (økende forsterkningsreduksjon), vil spenningsforvregningen over PIN-dioden avta. Således, i motsetning til tidligere kjente forsterkere, vil lineariteten for kretsen ifølge oppfinnelsen faktisk forbedres ved forsterkningsreduksjon.

Nøyaktig hvorledes disse fordeler oppnås, forstås bedre ved å se på koplingsskjemaet i fig. 1.

Forsterkeren, som er generelt betegnet med henvisningstallet 10, er en motstandsavhengig forsterker som danner kjernen i den logaritmiske lineære forsterkningsstyring IF (mellomfrekvens)-forsterkeren. Forsterkeren 10 består av to aktive innretninger, komplementære transistorer 12 og 14, og inngangsmotstand 16. Ignorerer man et øyeblikk frekvens-avhengighetsimpedanser i fig. 1, frakopler delkretsen 24, og substituerer en motstand Rc for denne (som antar at Rc ikke er mer enn en tiendedel av verdien av utgangs impedansen for transistoren 12 og inngangsimpedansen for transistoren 14, og konsentrerer seg kun om transistorparametrene og motstandene, kan det vises at spenningsforsterkningen i forsterkeren 10 er omtrentlig lik:

hvor:

Vo er "utgangsspenning,

Vi er inngangsspenningen,

Rc er motstanden i knutepunktet 26 som er dominert av PIN-diode 42,

Ri er forsterkerens inngangsmotstand.

Således er forsterkningen i forsterkeren forholdet mellom dens inngangsimpedans, Ri, og impedansen av PIN-dioden, Rc. Mange av fordelene med kretskonstruksjonen som er omtalt ovenfor skyldes avhengigheten av forsterkning og andre kretsparametre på PIN-diodens impedans og de naturlige egenskaper for PIN-dioden. Derfor kombinerer forsterkeren 10 spenningsforsterkningen i transistoren 12 med strømfor-sterkningen i transistoren 14 til å gi en total effekt-forsterkning med faste inngangs- og utgangsimpedanser.

Hva som trenger å bli særlig understreket her, er at forsterkningen i forsterkeren 10 er praktisk talt fullstendig bestemt av forholdet mellom en funksjon av forsterknings-styringsmotstanden Rc og inngangsmotstanden Ri, og mindre påvirket av noen transistorparametre enn i tidligere kjente forsterkere. Angitt på annen måte, forsterkningen bestemmes av motstanden eller impedansen ved knutepunkt 26.

Den logaritmiske lineære forsterkningsstyringen utføres gjennom en delkrets, generelt betegnet med henvisningstallet 24. Slik det fremgår i den ovenfor angitte omtale av forsterkeren 10, blir forsterkningen i forsterkeren bestemt av RF-impedansen ved knutepunkt 26.

Kondensatorer 28-34 er RF avkoplingskondensatorer som anvendes i et konvensjonelt henseende i forsterkeren 10 på en måte som ikke skal ytterligere beskrives her. På tilsvarende måte er kondensatorer 36 og 38 respektive inngangs- og utgangs-dc-strømsblokkeringskondensatorer som også konvensjonelt anvendes på Inngangen og utgangen av enkelt-trinns forsterkeren 10 vist i fig. 1. Kondensatoren 10 er imidlertid en RF-koplingskondensator som anvendes til å kople RF-signalet, som forsterkes, til PIN-dioden 42. Det er velkjent at RF-motstanden for PIN-dioden er gitt av den følgende ligning:

hvor:

- R er lik RF-motstanden for PIN-dioden 42,

A og B er konstanter som vil bli bestemt av individuell

diode, og

lp er likestrømmen i lederetning for PIN-dioden 42.

Ved derfor å anvende en forutbestemt spenning, - Vc, på dioden 42, kan RF-motstanden varieres. Motstander 44 og 46 er således strømbegrensende motstander til å definere den maksimale strøm i lederetning som påtrykkes ved Vc til dioden 42. Motstander 18, 20, 22, 48 og 50 er del av det konven-sjonelle forspenningsnettverket for transistorer 12 og 14, mens induktor 52 velges til å sette senterfrekvensen for forsterker 10.

Den effektive RF-motstanden i knutepunkt 26 styres således ved å variere strømmen i lederetning gjennom dioden 42. PIN-dioder kjennetegnes generelt ved å ha en praktisk talt ren motstand ved RF-frekvenser, hvis verdi kan variere fra ca. 10 kohm til mindre enn 1 ohm ved hjelp av styrestrømmen lp. Selv om samtlige dioder oppviser denne oppførsel i en viss grad, optimaliseres PIN-dioden til å vise denne karakteristikk over et bredt motstandsområde, med god linearitet, lav forvrengning og lav styrestrømforsyning.

Fra kopl ingsskj emaet i fig. 2 vil man se at PIN-diode overgangsspenningen endrer seg som en funksjon av temperatur. Det er derfor vanskelig å kontrollere forsterkningsstyre-strømmen, IP, nøyaktig hvis styrespenningen direkte tilføres PIN-dioden ettersom temperaturen hos dioden 42 endrer seg. For å utføre slik styring, blir en delkrets, generelt betegnet med henvisningstall 54 i fig. 2, substituert inn i forsterkeren 10 i fig. 1 i stedet for delkretsen 24.

Forsterkningstyrespenningen, Vc, koples til inngangen på en operasjonsforsterker, generelt betegnet med henvisningstallet 56. Utmatningen fra forsterkeren 56 er en spenning, Vo og en forsterkningstyrestrøm, lp. En motstand 58 tjener som en strømbegrensende motstand for dioden 42. Som tidligere er dioden 42 koplet til knutepunkt 26 i forsterkeren 10 ved hjelp av koplingskondensator 40. Den gjenværende del av forsterkeren 10 er blitt utelatt fra det forenklete skjema i fig. 2 i den hensikt å klargjøre illu-strasjonen. Det følger umiddelbart at:

hvor:

lp er forsterkningsstyrestrømmen på utgangen av for sterkeren 56,

Vc er inngangsforsterkningsstyrespenningen på inngangen av forsterkeren 56, og

Ri er inngangsresistansen for motstanden 60.

Det er viktig å bemerke at lp er uavhengig av overgangslike-spenningen for dioden 42. Derfor, når anvendt i kretsen i fig. 2, vil strømmen i lederetning gjennom dioden 42 auto-matisk justeres til å være uavhengig av diodens overgangs-likespenning og derfor temperaturuavhengig. Hvis lp således er temperaturuavhengig, vil så R, i ligningen for diodens RF-resistans gitt ovenfor, også være temperaturuavhengig.

Det som således hittil er beskrevet er en enkelt trinns, logaritmisk lineær forsterkningsstyrt, og temperaturuavhengig forsterker. Med andre ord tilveiebringes en temperaturuavhengig, nøyaktig forsterkningsstyring i forsterkeren 10 så lenge som en AGC logaritmisk lineær spenning, Vc, tilveiebringes til inngangen på delkretsen 54 i fig. 2.

Oppfinnelsen kan således oppsummeres som en forsterker som innbefatter en PIN-diode hvis resistans anvendes til å styre forsterkningen i hvert trinn. PIN-dioden anvendes i en temperaturkompenseringskrets slik at RF-motstanden i dioden er temperaturuavhengig. Flere trinn i den grunnleggende forsterkerblokken kaskadekoples til å oppnå høyere forsterkninger og AFK-områder. Fig. 3 er et blokkskjema over en flerhet av forsterkere 70 slik som beskrevet ovenfor med hver forsterker koplet i serie til å omfatte en kaskade av n forsterkere, Al, A2, A3, ..., An. Ever forsterker 70, Ai forsynes med en felles PIN-diodestrøm, lp, som AGC-signalet. Således kan kaskaden av forsterkere behandles som en enkelt forsterker, generelt betegnet med henvisningstall 72, med et inngangs 74, utgangs 76 og AGC-styresignal, lp. Den logaritmisk lineære karakteristikken for PIN-dioden anvendes slik at den totale forsterkning av de kaskadekoplete trinn i dB kan uttrykkes som:

hvor:

- V er kanalens AGC-spenning som felles tilføres hvert trinn, og

a og b er konstanter som kan bestemmes ved beregninger

basert på den målte utgangsspenning fra hver kanal ved forutbestemte AGC-spenninger.

Mange modifikasjoner og forandringer kan foretas av vanlige fagfolk uten å avvike fra oppfinnelsens idé og omfang. Derfor må den vist utførelsesform kun leses som et eksempel som er blitt angitt i klargjørende hensikt og ikke som en begrensning av oppfinnelsen som definert i de etterfølgende krav.

Claims (3)

1. Forsterkerkrets omfattende et første aktivt trinn med en utgang som er koblet til en inngang på et andre aktivt trinn, og der middel er tilveiebragt for å levere et tilbakekoblingssignal til det første trinnet, idet nevnte middel drives uavhengig i forhold til nevnte første og andre trinn og gir et logaritmisk-lineaert tilbakekoblingssignal til det første trinnet, karakterisert ved at det første aktive trinnet har en basiskoblet (common base) transistor som tilveiebringer nevnte utgang, at det andre aktive trinnet omfatter en emitterfølger transistor som har en inngang koblet til utgangen på det første aktive trinnet, at nevnte middel for tilveiebringelse av et tilbakekoblingssignal utgjøres av en PIN diode som drives av en i lederetning forspent strøm for å variere PIN diodens impedans og derved tilveiebringe nevnte logaritmisk-lineære signal til det første aktive trinnet for å gi dette en tilsvarende forsterkningskarakteristikk, og der én terminal på nevnte PIN diode er koblet til utgangen på det første aktive trinnet og til inngangen på det andre aktive trinnet, og den andre terminalen på nevnte PIN diode er koblet til jord.

2. Forsterkerkrets som angitt i krav 1, karakterisert ved dessuten å omfatte kretsmidler for å tilveiebringe nevnte strøm forspent i lederetning og for å justere nevnte strøm til å være uavhengig av temperaturvariasjoner i forsterkerkretsen.

3. Forsterkerkrets som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte kretsmiddel omfatter: en operasjonsforsterker som har en utgang og en styrespenning koblet til sin inngang gjennom en inngangsmotstand, og en seriekoblet motstand og diode, der én terminal av seriekoblingen er koblet til utgangen på operasjonsforsterkeren og der den andre terminalen er koblet til inngangen på operasjonsforsterkeren.