DE69000845T2 - Begrenzerschaltung mit feldeffekttransistoren. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung bezieht sich auf Signalbegrenzerschaltungen.
• Begrenzerschaltungen sind gut bekannt und enthalten im allgemeinen ein nichtlineares Bauteil, das derart vorgespannt wird, daß es selektiv über oder unter dem Vorspannungsbereich leitet oder nicht leitet. Alternativ dazu können Begrenzerschaltungen als Verstärker mit begrenztem Versorgungspotential ausgebildet werden, das dazu führt, daß der Hub Spitze-Spitze der Ausgangsleistung der Begrenzerverstärker beim gewünschten Kappungsniveau des Eingangssignals Sättigung erreicht. Siehe beispielsweise Millman und Taub: "Pulse, Digital, and Switching Waveforms", McGraw Hill, New York 1965, Kapitel 7.
• Es gibt jedoch Situationen, in denen die herkömmlichen Begrenzerschaltungen unzweckmäßig sind. Beispielsweise kann es vorkommen, daß mit Batterie betriebene Niedervoltschaltungen kein ausreichendes Betriebspotential zur Verfügung stellen, um Verstärker im Sättigungsbereich als Begrenzer einzusetzen oder ausreichend lineares Verhalten nichtlinearer Bauteile (Dioden) zu erreichen. Außerdem kann es wünschenswert sein, daß der Begrenzer innerhalb eines gewissen Nennpotentialbereichs eine Ausgangsleistung liefert.
• Die vorliegende Erfindung wird in einer Transistor-Verstärker/Begrenzerschaltung verkörpert, die dazu dient, ein begrenztes Signal in einem bestimmten Potentialbereich zu halten. Die Schaltung enthält einen Verstärker, der ein Paar in Kaskadenschaltung verbundene Übertragungstore ansteuert, deren anderes Ende auf einen Bruchteil der Versorgungsspannung vorgespannt ist. Die Steuerelektroden der Übertragungstore werden mit geeigneten Betriebsspannungen versorgt. Das Ausgangssignal wird an der Verbindung zwischen den Übertragungstoren in Kaskadenschaltung abgegriffen. Der Potentialhub des Ausgangssignals wird auf einen Potentialbereich begrenzt der niedriger ist, als die Versorgungsspannung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist ein Schaltbild, das den die Erfindung verkörpernden Begrenzer-Verstärker in einer als Beispiel angegebenen Umgebung, in der er benutzt werden könnte, enthält.
• Fig. 2 und 3 sind schematische Schaltbilder von alternativen die Erfindung verkörpernden Begrenzer-Verstärkerschaltungen.
• Fig. 4 ist ein Graph, der die für die Schaltung der Fig. 2 charakteristische Übertragungsfunktion zeigt.
• Wie in Fig. 1 zu sehen, ist ein Differeritialverstärker 26 derart geschaltet, daß er die Differenz zwischen zwei Signalen VA und VB bildet. In dieser Anordnung spannt eine erste Rückkopplungsschaltung, die einen Tiefpaßfilter 32 und einen begrenzenden Verstärker 30 enthält und zwischen den Ausgang und den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 26 geschaltet ist, den Verstärker durch Gleichspannung nahe seinem optimalen Arbeitspunkt vor. Das an die invertierende Eingangsklemme des Verstärkers 26 angelegte Arbeitsgleichspannungspotential hat die Hälfte des Betrages des Versorgungspotentials des Verstärkers. Da der invertierende Eingangsanschluß auf die Hälfte des Versorgungspotentials mit Gleichspannung vorgespannt ist, ist es wünschenswert, um beispielsweise hohes Verriegeln des Verstärkers zu vermeiden, das Ausgangspotential des Rückkopplungsverstärkers 30 auf einen Wertebereich von etwa der Hälfte des Versorgungspotentials zu begrenzen.
• Eine zweite Rückkopplungsschaltung, die die Widerstände R1 und R2 und den Kondensator C2 enthält, ist zwischen den Ausgangs- und den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 26 geschaltet. Die Widerstände R1 und R2 stellen den Verstärkungsfaktor der Schaltung auf einen Wert von 1+2R&sub2;/R&sub1; ein. Das Signal wird über den Kondensator C1 und die Schalter 14, 16 und 19 an den invertierenden Anschluß angelegt. Die Kondensatoren C1 und C2 haben dieselben Werte, so daß der Verstärkungsfaktor der Schaltung nur von den Werten der Widerstände R1 und R2 abhängt.
• Die Schaltung arbeitet folgendermaßen. Die Schalter 14, 20, 22 und 24 werden, gesteuert durch die Taktsignale P2' und P2, gleichzeitig geschlossen. Die Schalter 20, 22 und 24, die einen an das Bezugspotential angeschlossenen Anschluß haben, legen das Bezugspotential an beide Elektroden des Kondensators C2 und an eine Elektrode des Kondensators C1 an. Dies bewirkt, daß der Verstärker 26 in seinem Arbeitspunkt in der Mitte des Bereichs arbeitet (d.h. automatische Nullstellung). Gleichzeitig legt der Schalter 14 das Signal VA an die zweite Elektrode des Kondensators C1 an.
• Während des Intervalles, in dem die Schalter 14, 20, 22 und 24 geschlossen sind, sind die Schalter 16 und 19 offen. Dann werden, gesteuert durch das Taktsignal P1, die Schalter 14, 20, 22 und 24 geöffnet und die Schalter 16 und 19 geschlossen. Das Signal VA wird vom Kondensator C1 gelöst und das Signal VB an ihn angeschlossen und der Kondensator C1 wird an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 26 angeschlossen. Jede Potentialdifferenz zwischen den Signalen VA und VB bewirkt, daß Strom in die Kondensatoren C1 und C2 fließt. Dieser Strom verursacht eine Ladungsänderung ΔQ in Kondensator C2, die eine Potentialänderung (VA-VB) = ΔQ/C2 am invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 26 erzeugt. Dieses Potential wird verstärkt und am Anschluß 34 ausgegeben.
• Die Taktsignale P1 und P2, die die entsprechenden Schalter steuern, haben im wesentlichen gegenphasige, nicht überlappende rechteckige Wellenformen. Das Taktsignal P2' tritt gleichzeitig mit den Impulsen des Taktsignales P2 auf. Wenn gewünscht wird, den Wert des Signals VA in kurzen Zeitabständen zu erfassen, müssen die Impulse des Signales P2' schmal gehalten werden. Wenn beispielsweise die Bandbreite der Schaltung in der Größenordnung von 7 Megahertz liegt und die Taktsignale P1, P2 und P2' in der Größenordnung von 14 Megahertz, um dem Abtastkriterium von Nyquist zu genügen, werden die Impulse des Taktsignales P2' in der Größenordnung von 5-10 Nanosekunden liegen. Wenn dagegen die Eingangssignale VA und VB im wesentlichen Gleichspannungssignale sind, kann das Taktsignal P2 durch das Signal P2' ersetzt werden.
• Der Tiefpaßfilter 32 ist ein geschalteter Kondensatorfilter, der das Potential am Ausgangsanschluß 34 während der automatischen Nullstellungsintervalle erfaßt. Der Filter 32 mittelt die automatisch genullten Ausgangspotentiale, um ein Rückkopplungspotential zur Korrektur von Versatzeingangspotentialen im Verstärker 26 zur Verfügung zu stellen, d.h. um zu verhindern, daß Gleichspannungsanteile des Signals die Ausgangsvorspannung beeinflussen.
• Der Verstärker/Begrenzer 30 ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Schaltung enthält einen p-Kanal-Feldeffekttransistor, TP2, der als Sourceverstärker geschaltet ist. Ein komplementärer n-Kanal- Feldeffekttransistor, TN2, der als Stromquelle vorgespannt ist, ist als Speisevorrichtung an den Transistor TP2 angeschlossen. Ausgangssignale des Sourceverstärkers werden von der Verbindung zwischen den Transistoren TP2 und TN2 abgegriffen.
• Das Vorspannungspotential für die Gate-Elektrode des Transistors TN2 wird durch die Gate-Drain-Verbindung eines weiteren n- Kanal-Transistors TN1 zur Verfügung gestellt. Die Transistoren TN1 und TN2 sind in der gut bekannten Spiegelstromanordnung geschaltet. Der Betriebsstrom für den Transistor TN1 wird durch den Drainstrom eines weiteren p-Transistors TP1 geliefert. Die Gate-Elektrode des Transistors TP1 wird mit einem Bezugspotential versorgt, beispielsweise einem Potential, das der Hälfte des durch die Transistoren TP2 und TN2 angelegten Versorgungspotentials gleich ist. Die Transistoren TP2, TN2 und TP1, TN1 sind so ausgelegt, daß sie komplementäre Nenncharakteristiken haben und das Verhältnis der Geometrien (und damit der Transkonduktanzen) der Transistoren TP1:TP2 ist dem Verhältnis der Geometrien von TN1:TN2 gleich. Wenn diese Bedingungen erfüllt werden und ein Bezugspotential in Höhe der Hälfte des Versorgungspotentials an die Gateelektrode des Transistors TP1 angelegt wird, dann hat das Gleichspannungs- Ausgangspotential des Sourceverstärkers die Hälfte des Wertes des Versorgungspotentials.
• Die Ausgangsklemme des Sourceverstärkers ist mit den Hauptleitungswegen der Parallelschaltung eines p-Transistors TP3 und eines n-Transistors TN3 verbunden. Die Gateelektroden der Transistoren TP3 und TN3 sind mit dem relativ negativen (Masse) und dem relativ positiven (VD) Versorgungspotential verbunden. Die Hauptleitungswege der parallel geschalteten Transistoren TN3 und TP3 sind mit den Hauptleitungswegen der Parallelschaltung eines weiteren p-Transistors TP4 und eines weiteren n-Transistors TN4 verbunden. Das andere Ende der Hauptleitungswege der Transistoren TP4 und TN4 ist mit der Verbindung zwischen einem in Reihe geschalteten Paar gleicher Widerstände R3 verbunden, die zwischen die Versorgungspotentiale geschaltet sind. Damit wird ein der Hälfte des Versorgungspotentials gleiches Potential an den Hauptleitungsweg der Transistoren TN4 und TP4 angelegt. Die Gate-Elektroden der Transistoren TP4 und TN4 sind mit dem relativ negativen bzw. mit dem relativ positiven Versorgungspotential verbunden.
• Das Eingangssignal der Begrenzer/Verstärker-Schaltung ist mit der Gateelektrode des Transistors TP2 verbunden. Das Ausgangssignal, OUT, der Schaltung wird von der Verbindung zwischen den Transistoren TN3 und TN4 (TP3, TP4) abgegriffen.
• Die Transistoren TN3, TP3 und TN4, TP4 sind derart angeordnet, daß mindestens einer der Transistoren jedes parallelen Paares so vorgespannt ist, daß er leitend ist. Daher haben die parallelen Transistorpaare eine effektive ohmsche Impedanz, die mit Re bezeichnet wird. Die in Reihe geschalteten Widerstände R3 stellen einen Thévenin-Widerstand von R3/2 in Reihe mit einem Thévenin- Potential von VD/2 dar. Der Source-Verstärker weist eine Ausgangseigenimpedanz auf, die mit Ro bezeichnet wird. Der Thévenin-Widerstand R3/2 sei gleich αRo und das durch den Verstärker gelieferte Ausgangspotential eo. Unter diesen Voraussetzungen kann das Potential OUT durch folgende Gleichung beschrieben werden:
• Ist der Faktor α gleich 1, so vereinfacht sich die Gleichung 1 zu
• OUT = eo/2 + VD/4 (2)
• Die maximalen und minimalen Potentialwerte, die eo annehmen kann, sind VD bzw. Null (Masse). Daher sind die maximalen und minimalen Potentialwerte, die das Signal OUT annehmen kann, 3VD/4 bzw. VD/4.
• Fig. 4 stellt die Übertragungsfunktion der Schaltung von Fig. 2 bei einem Verstärkungsfaktor des Sourceverstärkers von Zwei und für α gleich Eins dar. Mit α nahe dem Wert Eins und/oder Re » Ro werden die Grenzwerte gleich oder annähernd 3VD/4 und VD/4. Mit wachsendem α nähern sich die Grenzpotentiale den Versorgungspotentialen. Im linearen Bereich ist der Verstärkungsfaktor der Begrenzer/Verstärker-Schaltung (30) ungefähr halb so groß, wie der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (TP2, TN2) alleine.
• In der Schaltung der Fig. 2 kann das Potential Vref an der Verbindung zwischen den in Reihe geschalteten Widerständen R3 abgegriffen werden. Die Widerstände R3 können durch mit Gleichspannung vorgespannte Transistoren realisiert werden.
• Fig. 3 ist ein nicht invertierender Begrenzer-Verstärker. In dieser Schaltung ist der Transistor TP1 als Eingangssourceverstärker angeordnet, der einen aus den Transistoren TN1 und TN2 bestehenden Spiegelstromverstärker ansteuert. Der Transistor TP2, an dessen Gateelektrode ein Potential Vref angelegt ist, arbeitet als Stromversorgungsquelle für den Transistor TN2. Es ist zu beachten, daß ein an den p-Transistor TP1 angelegtes wachsendes Eingangspotential in Transistor TP1 einen fallenden Drainstrom und dadurch einen fallenden Strom in Transistor TN1 verursacht. Der fallende Strom in Transistor TN1 wird in Transistor TN2 reflektiert, woraus sich ein wachsendes Ausgangspotential an der Verbindung zwischen den Transistoren TP2 und TN2 ergibt. Die Gateelektrode des Transistors TP2 ist über einen Tiefpaßfilter (R4, C3) mit der Verbindung zwischen den Widerständen R3 verbunden. Der Tiefpaßfilter wurde hinzugefügt, um jegliches Signalpotential, das über die Transistoren TP3, TN3, TP4 und TN4 an der Verbindung zwischen den Widerständen R3 anliegen könnte, abzuschwächen.

Claims (7)

1. Transistor-Verstärker/Begrenzerschaltung mit einer Quelle für relativ positives und relativ negatives Versorgungspotential, gekennzeichnet durch:

einen zwischen die genannten relativ positiven und relativ negativen Versorgungspotentiale geschalteten Verstärker (TP2, TN2) mit einem Eingangsanschluß zum Anlegen eines Eingangssignales und mit einem Ausgangsanschluß;

ein erstes Paar von Transistoren (TN3, TP3), deren jeweilige Hauptleitungswege zwischen dem genannten Ausgangsanschluß des genannten Verstärkers (TP2) und einem Ausgangsanschluß (OUT) parallel geschaltet sind und deren jeweilige Steuerelektroden mit mindestens einem der genannten relativ positiven (VD) und relativ negativen (GND) Versorgungspotentiale verbunden sind;

ein zweites Paar von Transistoren (TN4, TP4), deren jeweilige Hauptleitungswege zwischen dem genannten Ausgangsanschluß (OUT) der Schaltung und einem Punkt mit im wesentlichen konstantem Bezugspotential parallel geschaltet sind, dessen Wert zwischen dem genannten relativ positiven (VD) und relativ negativen (GND) Versorgungspotential liegt, und deren jeweilige Steuerelektroden mit mindestens einem der genannten relativ positiven und relativ negativen Versorgungspotentiale verbunden sind.

2. Schaltung gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von Transistoren einen p-Kanal-Feldeffekttransistor und einen n-Kanal-Feldeffekttransistor enthält, deren jeweilige Gateelektroden mit dem relativ positiven bzw. dem relativ negativen Versorgungspotential verbunden sind.

3. Schaltung gemäß Patentanspruch 2, darüber hinaus gekennzeichnet durch erste Widerstandsmittel, die zwischen das genannte relativ positive Versorgungspotential und den genannten Punkt mit Bezugspotential geschaltet sind, und zweite Widerstandsmittel, die zwischen den genannten Punkt mit Bezugspotential und das genannte relativ negative Versorgungspotential geschaltet sind, um das genannte Bezugspotential zu erzeugen.

4. Schaltung gemäß Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Verstärker enthält:

einen ersten Feldeffekttransistor einer ersten Leitungsart, der als Sourceverstärker geschaltet ist, und

einen zweiten Feldeffekttransistor der entgegengesetzten Leitungsart, der als Stromquelle vorgespannt ist,

und in der die Hauptleitungswege der genannten ersten und zweiten Feldeffekttransistoren zwischen den genannten relativ positiven und relativ negativen Versorgungspotentialen in Reihe geschaltet sind.

5. Schaltung gemäß Patentanspruch 1, darüber hinaus gekennzeichnet durch:

einen Tiefpaßfilter,

einen Differentialverstärker mit invertierenden und nicht invertierenden Eingangsanschlüssen und einem Ausgangsanschluß,

Mittel zur Schaltung des genannten Tiefpaßfilters mit genanntem Verstärker in Reihe zwischen dem Ausgangsanschluß und dem nicht invertierenden Eingangsanschluß des genannten Differentialverstärkers, um für Gleichspannungsrückkopplung um den genannten Differentialverstärker zu sorgen, und

Mittel, um ein Eingangssignal an den invertierenden Eingangsanschluß des genannten Differentialverstärkers anzulegen.

6. Schaltung gemäß Patentanspruch 5, darüber hinaus gekennzeichnet durch einen zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierenden Eingangsanschluß des genannten Differentialverstärkers geschalteten Kondensator.

7. Schaltung gemäß Patentanspruch 6, darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel zum Anlegen eines Eingangssignales enthalten:

eine erste und eine zweite Signalquelle,

einen weiteren Kondensator mit einer ersten, mit dem genannten invertierenden Eingangsanschluß verbundenen Elektrode und einer zweiten Elektrode und

Mittel zum abwechselnden Anschließen der genannten ersten und zweiten Signalquelle an die zweite Elektrode des genannten weiteren Kondensators.