DE102004044741B4 - Circuit arrangement for switchable amplification of variable electrical signals - Google Patents
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Abstract
Schaltungsanordnung
zur schaltbaren Verstärkung
von veränderlichen
elektrischen Signalen mit mindestens:
– einem Signaleingang (1) und
einem Signalausgang (2),
– einem
zwischen Signaleingang (1) und Signalausgang (2) vorhandenen, mit
einem Eingang (3), mit einem Ausgang (4) und mit einem mindestens
einen Widerstand (5) aufweisenden Gegenkopplungspfad (6) zwischen
Eingang (3) und Ausgang (4) versehenen schaltbaren Verstärker (7) und
– einer
mittels eines Schaltgliedes (8) umpolbaren Spannungsquelle (9),
wobei
– der Gegenkopplungspfad
(6) ein zum mindestens einen Widerstand (5) parallel geschalteten
schaltbaren Bypass (10) aufweist und
– die am Verstärkereingang
(3) eingespeisten Signale je nach Polarität der Spannungsquelle (9) über einen
ersten Signalpfad (11) verstärkt
oder über
einen zweiten Signalpfad (12) unverstärkt dem Verstärkerausgang
(4) zuzuführen
sind.Circuit arrangement for the switchable amplification of variable electrical signals with at least:
A signal input (1) and a signal output (2),
A feedback path (6) between input (3) and output (4) present between an input signal (1) and a signal output (2), having an input (3), an output (4) and at least one resistor (5) ) provided switchable amplifier (7) and
A voltage source (9) which can be reversed by means of a switching element (8),
in which
- The negative feedback path (6) to at least one resistor (5) connected in parallel switchable bypass (10) and
- The signals input to the amplifier input (3) amplified depending on the polarity of the voltage source (9) via a first signal path (11) or supplied via a second signal path (12) unamplified the amplifier output (4).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur schaltbaren Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen.The The invention relates to a circuit arrangement for switchable reinforcement of changeable electrical signals.
Bei einem Ensemble von veränderlichen elektrischen Signalen, insbesondere von HF(Hochfrequenz)-Signalen, mit unterschiedlich hohen Pegeln ist es vorteilhaft, diese zumindest stufenweise auf etwa gleiche maximale Pegelhöhe anzupassen. So kann beispielsweise ein nachfolgender AD-Wandler stets optimal ausgesteuert und das Signal/Rauschverhältnis, im Folgenden S/N-Verhältnis genannt, maximiert werden. Hierfür wird in der Regel ein Verstärker benötigt, der nur im Bedarfsfall, und zwar bei entsprechend kleinen Pegeln, in den Signalfluss eingeschleift wird. Bei entsprechend hohen Signalpegeln hingegen wird das Signal möglichst dämpfungsfrei durchgeschleust, wobei das original S/N-Verhältnis erhalten bleibt.at an ensemble of variable electric Signals, in particular of HF (high frequency) signals, with different high levels, it is advantageous to at least gradually about the same maximum level height adapt. For example, a subsequent AD converter always optimally controlled and the signal / noise ratio, in Called the following S / N ratio, be maximized. Therefor will usually be an amplifier needed only in case of need, and with correspondingly small levels, is looped into the signal flow. At correspondingly high signal levels however, the signal is as possible lossless passed through, whereby the original S / N ratio is maintained.
Es ist denkbar, einen sehr rauscharmen Verstärker permanent eingeschleift zu lassen und in dessen Ausgangspfad ein schaltbares Dämpfungsglied einzufügen, das im Falle hoher Pegel die vorhergehende Verstärkung wieder dämpft. In diesem Fall verschlechtert sich aber das S/N-Verhältnis um die Rauschzahl des Verstärkers, die allerdings mit 1 dB sehr klein sein kann. Das Problem hierbei ist aber, dass der Verstärker derart ausgestaltet sein muss, dass er einen Ausgangspegel an das Dämpfungsglied liefern kann, der um seine Verstärkung höher liegt als der maximal mögliche Eingangspegel. Um das Signal genau so verzerrungsarm zu erhalten, erfordert dies für den Verstärker einen sehr großen schaltungstechnischen Aufwand was gleichzeitig eine hohe Gleichstromleistung benötigt. Eine hohe Gleichstromleistung führt folg lich zu einer hohen Erwärmung des Verstärkers, so dass dabei zusätzlich ein Abwärmeproblem auftritt.It is conceivable, permanently looped in a very low-noise amplifier to leave and insert in its output path a switchable attenuator, the in the case of high levels, the previous gain attenuates again. In In this case, however, the S / N ratio deteriorates the noise figure of the amplifier, which, however, can be very small with 1 dB. The problem here but that is the amplifier must be designed such that it has an output level to the attenuator can deliver that to his reinforcement higher as the maximum possible Input level. To get the signal just as low in distortion, this requires for the amplifier a very big circuit Effort which at the same time requires a high DC power. A high DC power leads consequently a high level of warming the amplifier, so that in addition one waste heat problem occurs.
Die umgekehrte Anordnung, indem das schaltbare Dämpfungsglied vor den Verstärker geschaltet wird, scheidet aus Gründen der drastischen Verschlechterung des S/N-Verhältnisses von vornherein aus.The reverse arrangement by the switchable attenuator connected in front of the amplifier will be, divorces for reasons the dramatic deterioration of the S / N ratio from the outset.
In der US 2003/0124999 A1 ist eine Schaltung angegeben, mit welcher der Dynamikbereich eines Hochfrequenzempfängers mittels unterschiedlicher Parameter gesteuert werden kann. Es sind dabei mehrere Verstärkerschaltungen angegeben, die ein oder mehrere Schaltelemente mit einem oder mehreren Verstärkerelementen kombinieren. So sind beispielsweise Schaltungen dargestellt, die im Rückkopplungspfad des Verstärkerelements zumindest ein Schaltelement aufweisen.In US 2003/0124999 A1 discloses a circuit with which the dynamic range of a high frequency receiver by means of different Parameter can be controlled. There are several amplifier circuits specified, the one or more switching elements with one or more amplifier elements combine. For example, circuits are shown that in the feedback path of the amplifier element have at least one switching element.
In
der
In
der
Eine
bekannte Standardkonfiguration zur Lösung des Problems ist ein Verstärker
Ein Problem dieser Anordnung bei aktiviertem Verstärker ist die endliche Sperrdämpfung der Schalter, die bedingt ist durch die kapazitive Restkopplung. Sie sollte mindestens so hoch sein wie die Verstärkung. Ansonsten besteht je nach Verstärkertyp und Phasendrehung im Bypass-Zweig die Gefahr der Selbsterregung. Wegen der kapazitiven Natur der Restkopplung verschärft sich das Problem zu hohen Frequenzen hin und macht gegebenenfalls sehr aufwändige Schalterstrukturen erforderlich. Doch selbst wenn die Sperrdämpfung nicht ausreichend höher als die Verstärkung ist, ruft die von Frequenz bzw. Phasenlage abhängige, endliche Gegen- bzw. Rückkopplung eine frequenzabhängige Änderung der Verstärkung hervor.A problem with this arrangement with activated amplifier is the finite stop attenuation of the switches, which is due to the residual capacitive coupling. It should be at least as high as the reinforcement. Otherwise there is a risk of self-excitation depending on the amplifier type and phase rotation in the bypass branch. Due to the capacitive nature of the residual coupling, the problem is exacerbated to high frequencies and possibly requires very complex switch structures. But even if the stopband attenuation is not sufficiently higher than the gain, the calls of frequency or Phase-dependent, finite counter or feedback a frequency-dependent change in gain out.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur schaltbaren Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen anzugeben, mit der das vorstehend angesprochene Problem weitestgehend überwunden werden kann.task The present invention is a circuit arrangement for switchable gain of changeable indicate electrical signals, with the above-mentioned Problem largely overcome can be.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.These Task is according to the invention with the specified in claim 1 measures solved.
Dementsprechend soll die Schaltungsanordnung zur schaltbaren Verstärkung von veränderlichen elektrischen Signalen mit mindestens
- – einem Signaleingang und einem Signalausgang,
- – einem zwischen Signaleingang und Signalausgang vorhandenen, mit einem Eingang, mit einem Ausgang und mit einem mindestens einen Widerstand aufweisenden Gegenkopplungspfad zwischen Eingang und Ausgang versehenen schaltbaren Verstärker und
- – einer mittels eines Schaltgliedes umpolbaren Spannungsquelle dahingehend ausgestaltet sein, dass
- – der Gegenkopplungspfad ein zum mindestens einen Widerstand parallel geschalteten schaltbaren Bypass aufweist und
- – die am Verstärkereungang eingespeisten Signale je nach Polarität der Spannungsquelle über einen ersten Signalpfad verstärkt oder über einen zweiten Signalpfad unverstärkt dem Verstärkerausgang zuzuführen sind.
- A signal input and a signal output,
- - An existing between the signal input and signal output, with an input, with an output and with at least one resistor having negative feedback path between input and output provided switchable amplifier and
- A voltage source which can be reversibly polarized by means of a switching element be designed such that
- - The negative feedback path has a switched at least one resistor in parallel switchable bypass and
- - The signals input to the amplifier input are amplified via a first signal path, depending on the polarity of the voltage source, or amplified via a second signal path to the amplifier output.
Indem in den Gegenkopplungspfad des Verstärkers der schaltbare Bypass gesetzt wird und der Verstärker so ausgestaltet wird, dass er in Abhängigkeit von seiner Versorgungsspannung einen Teil der Schaltfunktion übernimmt, sind die damit verbundenen Vorteile insbesondere in einer Entlastung des Signalweges zwischen Signaleingang und Signalausgang von unerwünschten Bypässen nach Masse hin zu sehen.By doing in the negative feedback path of the amplifier of the switchable bypass is set and the amplifier is designed so that it depends on its supply voltage take over part of the switching function, are the associated benefits in particular in a discharge the signal path between signal input and signal output of unwanted bypasses to look for mass.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung gehen aus den Ansprüchen hervor.advantageous Embodiments of the circuit arrangement according to the invention will be apparent from the claims out.
So kann in Abhängigkeit von der Polarität der Spannungsquelle der schaltbare Verstärker zu aktivieren und der schaltbare Bypass zu deaktivieren bzw. der schaltbare Verstärker zu deaktivieren und der schaltbare Bypass zu aktivieren sein. Damit erreicht man zum einen, dass in der Schaltungsanordnung das synchrone Zusammenspiel des schaltbaren Verstärkers und des schaltbaren Bypasses gewährleistet ist und zum anderen eine Vereinfachung der Schaltungsanordnung, indem beide an dieselbe Spannungsversorgung angeschlossen sein können.So can depend on from the polarity the power source of the switchable amplifier to activate and the switchable bypass to disable or the switchable amplifier to disable and activate the switchable bypass. In order to one reaches, on the one hand, that in the circuit arrangement the synchronous Interplay of the switchable amplifier and the switchable bypass guaranteed and on the other hand a simplification of the circuit arrangement, by both can be connected to the same power supply.
Vorzugsweise kann der schaltbare Verstärker einen ersten und einen zweiten Transistor umfassen und jeder der beiden Transistoren mit einem Kollektor, einem Emitter und einer Basis ausgeführt sein. Die beiden Kollektoren sind dabei mit dem Verstärkerausgang verbunden. Weiter sind der Emitter des ersten Transistors über einen ersten Versorgungsanschluss und der Emitter des zweiten Transistors über einen zweiten Versorgungsanschluss mit der Spannungsquelle verbunden. Eine derartige Verschaltung zweier Transistoren liefert einen einfach zu realisierende und für diesen Einsatzzweck ausreichend schnell und effektiv arbeitende Verstärkeranordnung.Preferably can the switchable amplifier a first and a second transistor and each of the two transistors with a collector, an emitter and a Base executed be. The two collectors are with the amplifier output connected. Next, the emitter of the first transistor via a first supply terminal and the emitter of the second transistor via a second supply terminal connected to the voltage source. Such an interconnection of two transistors provides a simple to be realized and for this purpose sufficiently fast and effective working Amplifier arrangement.
Dabei ist es von Vorteil, dass der erste Transistor ein pnp-Transistor und der zweite Transistor ein npn-Transistor ist. Durch diese komplementäre Ausführungsform weist der Verstärker einen hohen Aussteuerbereich auf.there it is advantageous that the first transistor is a pnp transistor and the second transistor is an npn transistor. By this complementary embodiment points the amplifier a high modulation range.
Vorzugsweise sind die Basis des ersten Transistors über mindestens eine erste eine Katode und eine Anode umfassende Diode und mindestens einen Widerstand mit dem ersten Versorgungsanschluss und die Basis des zweiten Transistors über mindestens eine zweite eine Katode und eine Anode umfassende Diode und mindestens einen Widerstand mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden. Dabei sind die Katode der mindestens einen ersten Diode mit der Basis des ersten Transistors und die Anode der mindestens einen zweiten Diode mit der Basis des zweiten Transistors verbunden. Die so geschalten Dioden und Widerstände dienen dazu, den Ruhestrom für die Transistoren vorteilhaft festzulegen.Preferably are the base of the first transistor over at least a first one Cathode and anode comprising a diode and at least one resistor with the first supply terminal and the base of the second transistor over at least a second diode comprising a cathode and an anode and at least a resistor connected to the second supply terminal. In this case, the cathode of the at least one first diode with the Base of the first transistor and the anode of the at least one second diode connected to the base of the second transistor. The so switched diodes and resistors serve the quiescent current for determine the transistors advantageous.
Zudem ist vorteilhaft, dass die Basis des ersten Transistors über eine erste Parallelschaltung aus mindestens einer Kapazität und mindestens einem Widerstand und die Basis des zweiten Transistors über eine zweite Parallelschaltung aus mindestens einer Kapazität und mindestens einem Widerstand mit dem Verstärkereingang verbunden sind. Dies gewährleistet, dass die am Signaleingang eingespeisten Signale über die Kondensatoren zu den Basiselektroden gelangen. Zudem erfüllen die somit zwischen den Dioden angeordneten Widerstände die Funktion eines Spannungsteilers zur Festlegung der Ruhearbeitspotentiale.moreover is advantageous that the base of the first transistor via a first parallel connection of at least one capacity and at least a resistor and the base of the second transistor via a second parallel connection of at least one capacity and at least a resistor with the amplifier input are connected. This ensures that the signals applied to the signal input via the capacitors to the Get basic electrodes. In addition, the fulfill between the Diodes arranged resistors the function of a voltage divider to determine the Ruhearbeitspotentiale.
Insbesondere sind jeweils zwischen einem Emitter und einem Versorgungsanschluss mindestens zwei Widerstände angeordnet. Dabei ist zwischen den mindestens beiden Widerständen jeweils ein Knotenpunkt vorgesehen, der jeweils über mindestens eine Kapazität mit jeweils einem Bezugspotential verbunden ist.In particular, in each case at least two resistors are arranged between an emitter and a supply connection. In each case, a node is provided between the at least two resistors, each having at least one capacitance, each with a Bezugspo tential connected.
Vorzugsweise ist der zwischen Verstärkereingang und Verstärkerausgang angeordnete erste Signalpfad in zwei symmetrische Teilpfade unterteilt. Dabei umfasst der erste Teilpfad die Kapazität der ersten Parallelschaltung und den ersten Transistor und der zweite Teilpfad die Kapazität der zweiten Parallelschaltung und den zweiten Transistor. Zudem weist der zwischen Verstärkereingang und Verstärkeraungang angeordnete zweite Signalpfad den schaltbaren Bypass auf.Preferably is the between amplifier input and amplifier output arranged first signal path divided into two symmetrical sub-paths. there the first partial path comprises the capacitance of the first parallel connection and the first transistor and the second partial path, the capacity of the second Parallel connection and the second transistor. In addition, the between points amplifier input and amplifier arrangement arranged second signal path on the switchable bypass.
Es ist von Vorteil, dass der schaltbare Bypass eine vier Dioden aufweisende Diodenbrücke ist, wobei jede Diode mit einer Anode und eine Katode versehen ist. Dabei sind ein erster Anschluss der Diodenbrücke über mindestens einen ersten Vorwiderstand mit dem ersten Versorgungsanschluss und ein zweiter Anschluss der Diodenbrücke über mindestens einen zweiten Vorwiderstand mit dem zweiten Versorgungsanschluss verbunden. Je nach Polung der anliegenden Spannung sperrt die Diodenbrücke den Signalpfad oder schleift die Signale zum Verstärkerausgang weiter. Die Vorwiderstände dienen dabei zur Begrenzung des Diodenstroms entlang der Diodenbrücke.It It is advantageous that the switchable bypass has a four-diode diode bridge is, wherein each diode is provided with an anode and a cathode. In this case, a first terminal of the diode bridge over at least a first Series resistor with the first supply connection and a second Connection of the diode bridge over at least a second series resistor to the second supply terminal connected. Depending on the polarity of the applied voltage, the diode bridge blocks the Signal path or continues to loop the signals to the amplifier output. The series resistors are used thereby limiting the diode current along the diode bridge.
Dabei sind der erste Anschluss mit zwei Katoden der Diodenbrücke und der zweite Anschluss mit zwei Anoden der Diodenbrücke vorteilhaft verbunden. In diesem Fall ist gewährleistet, dass die Diodenbrücke sperrt, wenn der Verstärker aktiviert ist und das Signal durchschleift, wenn der Verstärker deaktiviert ist.there are the first terminal with two cathodes of the diode bridge and the second connection with two anodes of the diode bridge advantageous connected. In this case, it is ensured that the diode bridge blocks, if the amplifier is activated and loopes through the signal when the amplifier is disabled is.
Weiter ist dabei vorteilhaft, dass zwischen dem ersten Anschluss der Diodenbrücke und dem mindestens einen ersten Vorwiderstand mindestens eine erste Induktivität und zwischen dem zweiten Anschluss der Diodenbrücke und dem mindestens einen zweiten Vorwiderstand mindestens eine zweite Induktivität angeordnet sind. Dabei dienen die Induktivitäten dazu, die Belastung des Signals über die die Vorwiderstände zu verhindern.Further is advantageous in that between the first terminal of the diode bridge and the at least one first series resistor at least a first inductance and between the second terminal of the diode bridge and the at least one second series resistor arranged at least a second inductance are. The inductances serve to reduce the load on the Signal over the series resistors to prevent.
Ferner ist die Diodenbrücke vorteilhafter Weise aus pin-Dioden ausgebildet. Insbesondere kann bei hochfrequenten Signalen damit eine niedrige Durchgangsdämpfung, die nur geringfügig über 0 dB liegt, mit wenig Durchlassstrom erreicht werden.Further is the diode bridge Advantageously, pin diodes educated. In particular, it can with high-frequency signals a low transmission loss, which is only slightly above 0 dB is to be achieved with little forward current.
Es ist aber auch von Vorteil, dass der schaltbare Bypass ein mit einem Steuereingang versehener CMOS-Schalter ist, wobei der Steuereingang abhängig von der Steuerpolarität des CMOS-Schalters über den ersten oder zweiten Versorgungsanschluss mit der Spannungsquelle verbunden ist. Durch die Verwendung des CMOS-Schalters wird im Durchschleifmodus bei deaktiviertem Verstärker, anders als bei der Diodenbrücke, ein Verbrauch von Gleichstromleistung vermieden.It But it is also an advantage that the switchable bypass with a Control input is provided CMOS switch, where the control input dependent from the tax polarity of the CMOS switch over the first or second supply connection to the voltage source connected is. By using the CMOS switch, in loop-through mode with the amplifier deactivated, unlike the diode bridge, Consumption of DC power avoided.
Dabei ist der CMOS-Schalter vorzugsweise auf GaAs-Basis ausgebildet ist, der sich besonders für hochfrequente Signale eignet.there the CMOS switch is preferably formed on GaAs basis, especially for high-frequency signals is suitable.
Vorteilhaft ist das Signal ein Hochfrequenzsignal. Der Frequenzbereich erstreckt sich dabei von 10 kHz bis 100 GHz.Advantageous the signal is a high frequency signal. The frequency range extends from 10 kHz to 100 GHz.
Vorteilhafterweise weist die Schaltungsanordnung mindestens eine Kapazität zwischen Signaleingang und Verstärkereingang und mindestens eine Kapazität zwischen Verstärkerausgang und Signalausgang auf. Die Kapazitäten dienen am Signaleingang und Signalausgang als Koppelkondensatoren, um mögliche Offset-Gleichspannungen von an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Objekten fernzuhalten.advantageously, the circuit arrangement has at least one capacitance between Signal input and amplifier input and at least one capacity between amplifier output and signal output on. The capacities are at the signal input and signal output as coupling capacitors to potential offset DC voltages keep away from objects connected to the circuit.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, wenn das Schaltglied ein Polwender ist. Damit lässt sich auf besonders einfache weise die Umpolung der Spannungsversorgung realisieren.When it proves to be particularly advantageous if the switching element is a pole turner is. Leave it In a particularly simple way, the polarity reversal of the power supply realize.
Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Wie vorstehend dargelegt, ist dabei die Fi gur 1 dem Stand der Technik zuzuordnen. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigenpreferred but by no means restrictive embodiments the device will now be explained in more detail with reference to the drawing. As above set forth, the Fi gur 1 is assigned to the prior art. By way of illustration, the drawing is not drawn to scale and certain features are shown schematically. Show in detail
Einander
entsprechende Teile sind in den
In
Die
Basis
Für die Verstärkung sind
der Gegenkoppelwiderstand
Im
Falle, dass am Versorgungsanschluss
Die
am Signaleingang
Bei
der Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß
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