FI97656C - Linearisointikytkentä - Google Patents

Description

97656

Linearisointikytkentä Tämän keksinnön kohteena on linearisointikytkentä, joka käsittää vahvistimen ja sen takaisinkytkentähaaraan 5 sijoitetun kompensoivan epälineaarisuusosan. Vahvistimen tuloon johdettu lineaarinen ohjausjännite muutetaan linea-risointikytkennässä siten, että muutetulla ohjausjännitteellä ohjatun epälineaarisen elimen epälineaarisuus saadaan olennaisilta osiltaan kompensoitua siten, että epä-10 lineaarisen elimen lähtöjännite on olennaisilta osiltaan lineaarisesti riippuva lineaarisesta ohjausjännitteestä.

Radiolaitteiden lähettimissä käytetään jänniteoh-jattuja komponentteja kuten RF-vaimentimia ja -vahvistimia, joiden vaimennuksen/vahvistuksen tulisi säätöalueella 15 olla lineaarisesti riippuvainen säätöjännitteestä. Tyypillinen sovellus on tehonsäätösilmukka, jossa lähettimen vahvistimeen tulevalla RF-signaalilla on olennaisesti vakio tuloteho ja vahvistimen lähtösignaalin tehoa on säädettävä laajassa alueessa mikrosekuntia lyhyemmässä ajas-20 sa. Useimpien jänniteohjattujen komponenttien ominaiskäyrä on epälineaarinen, ts. ilman erityisiä linearisointitoi-menpiteitä noudattaa vaimentimen vaimennus G eli lähtöjännitteen Vout suhde tulojännitteeseen Vln ohjaustasajännit-teen Vc funktiona kuvan 1 mukaista kuvaajaa. Ohjausjännit- . .·. 25 teen kasvaessa nolla-arvosta kuvaajalla on aluksi vuoto- alue 1, jossa vaimennuksella G on minimiarvo. Se on lähes • . riippumaton ohjausjännitteestä Vc. Ohjausjännitteen kasva- • · · essa siirrytään ensimmäiselle lineaariselle siirtymäalu- • · · *·’ * eelle 2, jossa vaimennus muuttuu lineaarisesti ohjausjän- 30 nitteen muuttuessa. Seuraavaksi tullaan eksponentiaaliseen :.i.: tai desibeleissä katsottuna lineaariseen alueeseen 3, jos- • · · ; sa vaimennus on ohjaus jännitteen eksponentiaalinen funk tio. Ohjausjännitteen edelleen kasvaessa siirrytään toiselle lineaariselle siirtymäalueelle 4, jossa vaimennus 35 muuttuu taas lineaarisesti ohjausjännitteen muuttuessa.

2 97656

Viimeinen alue on kyllästysalue, jossa vaimennuksella on maksimiarvo, joka on lähes riippumaton ohjausjännitteestä.

Useimmissa sovelluksissa vaaditaan jänniteohjatuil-ta komponenteilta lineaarisuutta. Tämä voidaan tunnetusti 5 saavuttaa käyttämällä erityistä linearisointikytkentää.

Linearisointikytkennän tarkoitus on se, että se muuntaa siihen syötetyn lineaarisen ohjausjännitteen epälineaariseksi ohjausjännitteeksi, jonka ominaiskäyrä on käänteinen jänniteohjatun komponentin ominaiskäyrään nähden, jolloin 10 kombinaationa saadaan lineaarinen jänniteohjatun komponentin ominaiskäyrä.

Kuvassa 2 on esitetty alalla tunnetun tyypillisen invertoivan linearisointikytkennän toimintaperiaate. Epälineaarinen piiri 22 sijoitetaan suuren vahvistuksen omaa-15 van epälineaarisen operaatiovahvistimen 21 takaisinkytken- tähaaraan. Vahvistimen tulona on linearisoitava jännite VLI(I ja lähdöstä saadaan epälineaarinen ohjausjännite Vc, joka jänniteohjatulle vaimentimelle/vahvistimelle 23 vietynä kompensoi sen epälineaarisuuden G.

20 Jotta epälineaarisuus G voitaisiin kompensoida, sen olisi oltava joko monotonisesti nouseva tai monotonisesti laskeva ohjausjännitteen Vc funktio, jolloin sitä voidaan kuvata seuraavalla kaavalla (1): 25 G(VC) = g00 - 9oi(A· (Vc-V01) ) = g00 i g0i(V0) (1) ··· • · . ^ jossa g00 on vakio ja on g01 jokin monotonisesti nouseva • · · *"/ funktio. Tekijä V01 on siirtotekijä ja tekijä A on skaa- • · · laustekijä, joita käytetään, jos halutaan ilmaista 30 epälineaarisuus G V0-jännitteen funktiona. Epälineaarinen piiri 22, jota voidaan nimittää kompensoivaksi epälineaa- ··· v ; risuudeksi, tuottaa takaisinkytkentävirran I0 = I00 ± ϊοιίΫο)/ jossa I00 on vakio-osa ja I01 on jännitteestä V0 riippuva osa. Jännite V0 on saatu lähtöjännitteestä Vc, kun 35 sitä on skaalattu tekijällä A ja siirretty termillä V01.

3 97656

Skaalaus ja siirto voidaan suorittaa vastusverkoilla. Plusmerkkiä käytetään, jos kyseessä on ei invertoiva vahvistin ja miinusmerkkiä, jos on kyseessä invertoiva vahvistin. Epälineaarisuutta I01 nimitetään "kompensoivaksi 5 epälineaarisuudeksi" kun taas funktiota g01 voidaan nimittää "kompensoitavaksi epälineaarisuudeksi". Jos vahvistimen 21 vahvistus on ääretön, se yrittää saattaa tulonapo-jen jännitteet yhtä suuriksi, niin että pätee 10 VLIN = (I00 ± I01 (V0))R (2) josta verrattaessa kaavaan (1) havaitaan, että G on VLIN:n lineaarinen funktio mikäli I01 (V0) on g0i(V0):n lineaarinen funktio. Termeillä I00 ja g00 ei ole vaikutusta linea-15 risointiin, ne aiheuttavat vain kiinteän siirtymän, jolloin kompensointivaatimukseksi tekijälle I01 tulee: loi (V0) = P+q-g0i(V0), 20 jossa p ja q ovat mielivaltaisia vakioita.

Suuntaus nykyisissä jänniteohjatuissa vaimentimissa on tehdä eksponentiaalinen alue (so. "dB-lineaarinen" alue) niin suureksi kuin mahdollista ja minimoida lineaarinen alue. Eräissä vaimentimissa on toinen lineaarinen . .·. 25 alue 4, kuva 1, hyvin kapea ja vahvistus alueella 3 nousee • · · paikoin jopa eksponentiaalista nopeammin. Tunnetut li- • · . nearisointikytkennät, esim. tämän patenttihakemuksen kek- • · · sijän aiemmin esittämät kytkennät, eivät mahdollista täi- • « · laisten epälineaaristen komponenttien linearisointia koko 30 ominaiskäyrän osalta, etenkään ei kuvan 1 käyrän alueilla 2, 3 ja 4.

• · · V: Tämä keksinnön tavoitteena on linearisointikytken- tä, jolla ei ole tunnettujen kytkentöjen haittoja. Tavoitteena on aikaansaada epälineaarinen piiri, jonka omi-35 naiskäyrä on mahdollisimman laajalla alueella sama kuin 4 97656 kompensoitavan epälineaarisuuden ominaiskäyrä.

Tavoite saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella kytkennällä.

Keksinnön mukaisesti epälineaarinen piirin ts. kom-5 pensoivan epälineaarisuuden toteus perustuu kuvan 3 mukaiseen sinänsä tunnettuun differentiaalivahvistimeen, josta käytetään jäljempänä nimitystä LTP-kytkentä (Long Tailed Pair). Transistorit QL ja Q2 ovat sovitettuja pareja, transistorin Qx kollektorivirta I: on haluttu virta I01 (I2 10 = I01) ja transistorin Q2 kollektorivirta I2 = It - I01. Täl lainen LTP-kytkentä tuottaa kaavan (3) mukaisen epälineaarisuuden: loi = 1/2* It· (l+tanh(V0/2VT)) (3) 15 jossa on It on häntävirta, joka on vakiovirtalähteen virta It ja samalla kollektorivirtojen summa ja VT on absoluuttiseen lämpötilaan verrannollinen jännite, noin 26 mV huoneen lämpötilassa. Viitenumerolla 31 on esitetty virta-20 generaattoria, joka tuottaa vakiovirran It. Virtageneraat-tori on esitetty myös muissa hakemuksen kuvissa samalla kuvasymbolilla. Yhden LTP-kytkennän kuvaajan (ei esitetty) lineaarinen alue on kuitenkin suuri verrattuna eksponentiaaliseen alueeseen, mikä ei riitä kompensoimaan epälineaa- . .·. 25 risuutta, jonka alue on suuri. Keksinnön mukaisesti muo- • · · .***; dostetaan operaatiovahvistimen takaisinkytkentähaaraan si- • · . . joitettava epälineaarinen piiri yhdistämällä ainakin kaksi • · · LTP-kytkentää, joista toinen on pienen vahvistuksen omaava • · « *·’ ' LTP-kytkentä, jonka eksponentiaalinen alue on ohjausjänni- 30 tealueen alapäässä ja toinen on suuren vahvistuksen omaava ·.:.· LTP-kytkentä, jonka eksponentiaalinen alue on ohjausjänni- • · · V* * tealueen yläpäässä. Käyttämällä epälineaarisessa piirissä tarpeellista lukumäärää LTP-kytkentöjä voidaan epälineaarisen komponentin epälineaarisuus kompensoida halutussa 35 määrin.

5 97656

Erään suoritusmuodon mukaan käytetään modifioitua LTP-kytkentää, jossa peruskytkennän transistorien rinnalla on lisätransistori, jonka kollektori on kytketty peruskytkennän toisen transistorin kollektorille ja emitteri yh-5 teen peruskytkennän transistorien emitterien kanssa. Lisä-transistorin kannalla vaikuttaa operaatiovahvistimen läh-töjännite Vc, tosin itsenäisesti siirrettynä ja skaalattuna. Tätä kytkentää nimitetään jäljempänä LTP-plus-kytken-näksi. LTP-plus-kytkennän epälineaarisuusominaisuudet ovat 10 lähes samat kuin kahden LTP-vahvistimen kombinaatiollakin, mutta sillä on eräitä haittoja, jotka esitetään myöhemmin.

Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin erään keksinnön mukaisen edullisen suoritusmuodon avulla viitaten oheisiin kuviin, joista 15 kuva 1 esittää tyypillistä jänniteohjatun vaimen- timen ominaiskäyrää, kuva 2 esittää linearisointikytkennän tunnettua " periaatetta, kuva 3 kuvaa LTP-kytkentää, 20 kuva 4 esittää kahden LTP-kytkennän kombinaatiota, kuva 5 esittää kolmen LTP-kytkennän kombinaatiota, kuva 6 kuvaa LTP-plus-kytkentää, kuva 7 esittää linearisointikytkentää, jossa on keksinnön mukainen epälineaarinen piiri ja . .·. 25 kuva 8 esittää linearisointikytkentää, jossa on • · · modifioitu epälineaarinen piiri.

• · . . Kuvan 4 mukaisesti LTP-kytkennät, jotka muodostavat kuvan 2 takaisinkytkentähaaran kompensoivan epälineaari- • · · *·' ' suuselementin, on kytketty rinnan siten, että kummankin 30 LTP-kytkennän tulona on ohjausjännite Vc. Ohjausjännittee- :.i.: seen Vc tehdään kunkin parin kohdalla yksilölliset skaalaus • · · v : (Aa, Ab) ja tasonsiirto (-V0a, -Vob). Parien vasemman puo leisten transistorien, joiden kannalla toiminnallisesti vaikuttaa ohjaus jännite Vc, syöttövirtojen I01a, I01b summa 35 on IL ja oikeanpuoleisten transistorien syöttövirtojen sum- 6 97656 ma on I2. Vahvistinpari kytketään myöhemmin kuvatulla tavalla linearisointikytkennän takaisinkytkentähaaraan (kuva 2) siten, että takaisinkytkentävirta on I2. On myös mahdollista käyttää takaisinkytkentävirtana virtaa Ilf mutta täl-5 löin täytyisi kuvassa 2 esistetyssä kytkennässä vaihtaa operaatiovahvistimen tulonapojen merkit. Näin syntyy ei-invertoiva linearisoija, jolla kuitenkin on eräs myöhemmin sanottava haitta.

Kuvan 4 kytkennän kuvaajassa (ei esitetty) ekspo-10 nentiaalinen alue eli alue, jossa virran Ix derivaatta jännitteen Vc suhteen jaettuna virralla Ix on vakio, ts.

1 dii -- on vakio, on merkittävästi suurempi kuin kuvan 3 li dVc 15 yhden LTP-parin kytkennällä.

LTP-kytkentöjä voidaan kytkeä rinnan mikä tahansa haluttu lukumäärä. Jokainen LTP-kytkentä kompensoi omaa osaansa epälineaarisuudesta, jolloin käyttämällä niitä riittävä määrä on mahdollista saada kompensoitava lineaa-20 risuus miten tarkaksi tahansa. Käyttämällä kolmea LTP-pa-ria kuvan 5 mukaisesti voidaan tuottaa suuri määrä erilaisia epälineaarisuuksia. Kuvan 5 mukainen epälineaarinen piiri on riittävä useimpiin käytännön sovelluksiin.

Käytettäessä useita LTP-vahvistimia saavutetaan 25 useita etuja: kunkin parin säätöparametrit An ja V0n aikaan-: saavat itsenäisen vaikutuksen ts. eivät vaikuta muiden m· ·:*♦: parien toimintaan, saatu lineaarisuus ei ole kovin herkkä . .·: millekään yksittäiselle säätöparametrille. Lisäksi koko- • * · ♦ naisuus on helposti integroitavissa analogiseksi IC-pii- . t « 30 riksi.

. LTP-vahvistinta voidaan modifioida kuvassa 6 esite- • · · tyllä tavalla. Siinä perus-LTP-kytkennän transistorin Q1 • · · rinnalla on lisätransistori Q3, jonka kollektori on kytketty toisen LTP-transistorin Q1 kollektorille ja emitteri 35 on kytketty yhteen peruskytkennän transistorien emitterei-den kanssa. Lisätransistorin Q3 kannalla vaikuttaa sama 7 97656 jännite Vc kuin LTP-transistoreiden kannalla, tosin itsenäisesti siirrettynä tekijällä -Va ja skaalattuna skaalaus-tekijällä Aa. Tätä kytkentää nimitetään seuraavassa LTP-plus-kytkennäksi.

5 LTP-plus-kytkennän epälineaarisuusominaisuudet ovat lähes samat kuin kahden LTP-vahvistimen kombinaatiollakin. Kuitenkin sen mitoitus on hankalampaa, koska säätöparamet-rit vaikuttavat toisiinsa. Lisäksi herkkyys komponenttien toleransseille ja lämpötilalle on suurempi kuin kahden 10 LTP-kytkennän piirillä.

Käytännön linearisointipiireissä on takaisinkyt-kentähaaran virran I01 käyrissä tasainen alue. Se on ongelma, sillä se merkitsee, että operaatiovahvistinkytkennässä ei tällä alueella ole takaisinkytkentää. Tilanne pahenee, 15 j os I01 pienenee samalla kun Vc tulee hyvin suureksi. Näin tapahtuu kuitenkin vain ei-invertoivassa linearisointikyt-kennässä silloin, kun Vc tulee niin suureksi, että jonkin transistorin kanta-kollektori liitos alkaa johtaa. Tämä voi johtaa koko linearisoijan toimintakyvyn menettämiseen. 20 Sen tähden ei ole edullista käyttää LTP-pareja ei-inver-toivassa linearisoijassa. Invertoivassa linearisoijassa ovat tasaiset alueetkin helpommin käsiteltävissä. Sitä paitsi käytännön jänniteohjatuissa vaimentimissa on havaittavissa, että ne eivät ole toiminta-alueellaan koskaan 25 täysin tasaisia. Sen vuoksi voidaan sijoittaa suuri vastus « · · .)**; operaatiovahvistimen lähdön ja invertoivan tulon väliin, ♦ ♦ kuten kuvissa 7 ja 8 on näytetty. Tämä matkii jänniteohja- * · · tun vaimentimen tyypillisessä ominaiskäyrässä ensimmäistä • » t *·* * lineaarista aluetta 2, joka on esitetty kuvassa 1.

30 Kuvissa 7 ja 8 on esitetty keksinnön epälineaarinen :.i.: piiri käytännön linearisointikytkennässä. Kuva 7 esittää • · ♦ '·' : invertoivaa linearisoi jaa, jossa on useita LTP-pareja kun taas kuva 8 esittää linearisoijaa, jossa on LTP-plus-kyt-kentä. Jännite VB on epälineaarisen piirin käyttöjännite. 35 Kuvat ovat invertoivin vahvistimin, mutta ei-invertoivan 8 97656 kytkentä saadaan vaihtamalla vahvistimen + -tulo - -tuloksi ja päinvastoin sekä käyttämällä takaisinkytkennässä niiden transistorien kollektoreja, jotka ovat kuvassa maadoitettu. Lineaarinen takaisinkytkentä on kuitenkin joh-5 dettava vahvistimen negatiiviseen tuloon ts. suuri vastus on sijoitettava operaatiovahvistimen lähdön ja invertoivan tulon väliin. Ei-invertoivan rakenne ei ole kuitenkaan suositeltava aiemmin mainituista syistä. Voidaan käyttää myös PNP-transistorein toteutettuja piirejä. Kaikissa 10 näissä piireissä, virtalähde It voidaan korvata vastuksella ja sopivalla jännitelähteellä.

Kuvassa 7 on myös esitetty tapoja, joilla voidaan muokata linearisoijän taajuusvastetta. Jotta taajuusvaste olisi mahdollisimman suora eikä piiri värähtelisi kaikilla 15 ohjausjännitteillä, tarvitaan toimintapisteestä riippuva taajuuskompensointi, mikä voidaan toteuttaa kytkemällä kondensaattoreita epälineaariseen osaan. Kondensaattoreita on kuvassa esitetty yleisesti merkinnällä C.

Kuvien 7 ja 8 jännitteet -V0n ovat normaalisti syöt-20 töjännitteitä riippuen siitä, tarvitaanko positiivinen vai negatiivinen offset. Kussakin kuvien LTP-parissa on mahdollista korvata oikean haaran kannalle tuotu offset vasemman haaran transistorin kannalle tuodulla vastakkaismerkkisellä offsetilla. Käytännön kytkennässä on kuitenkin 25 edullisempaa maadoittaa vasemman haaran transistorin kan- i t · ·«· ta· • ·

On ymmärrettävä, että edellä oleva selitys ja sii- 1 « f ’!*.* hen liittyvät kuviot on ainoastaan tarkoitettu havainnoi- 2 · · * ' listamaan esillä olevaa keksintöä. Alan ammattimiehille 30 tulevat olemaan ilmeisiä erilaiset keksinnön variaatiot ja M.· muunnelmat ilman että poiketaan oheisissa patenttivaati- 1·« ? ’‘ muksissa esitetyn keksinnön suojapiiristä ja hengestä.

Claims (5)

97656

1. Linearisointikytkentä ohjausjännitteellä ohjatun epälineaarisen komponentin linearisoimiseksi, joka kytken- 5 tä muuttaa lineaarisen ohjausjännitteen (VLIN) epälineaariseksi ohjausjännitteeksi (Vc), linearisointikytkennän sisältäessä: takaisinkytketyn vahvistimen (21), jonka tuloon vaikuttaa lineaarinen ohjaus jännite (VLIN) ja jonka lähdös-10 tä saadaan epälineaarinen ohjausjännite (Vc), takaisinkytkentähaaraan sijoitetun epälineaarisen piirin (22), jonka epälineaarisuus on pääosin sama kuin jänniteohjatun epälineaarisen komponentin epälineaarisuus, tunnettu siitä, että epälineaarinen piiri (22) si-15 sältää ainakin yhden sovitetusta transistoriparista (Ql, Q2) muodostetun differentiaalivahvistimen siten kytkettynä, että parissa: ensimmäisen transistorin (Ql) kanta on toiminnallisesti liitetty takaisinkytketyn vahvistimen lähtöön, 20 jolloin ensimmäisen transistorin kollektorivirta (Ιχ) riippuu takaisinkytketyn vahvistimen lähdön jännitteestä, toisen transistorin (Q2) kanta on toiminnallisesti maadoitettu, transistorien emitterit on kytketty yhteen ja yh- . .·. 25 teinen emitterivirta on olennaisesti vakio, jolloin muutos • · · ensimmäisen transistorin kollektorivirrassa aiheuttaa vas- • · . ^ takkaisen muutoksen toisen transistorin kollektorivirrassa a2), • · · *·' 1 toisen transistorin (esim. Ql) kollektori on yhdis- 30 tetty takaisinkytketyn vahvistimen tuloon ja toisen tran-sistorin (esim. Q2) kollektori on yhdistetty maahan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen linearisointikytkentä, tunnettu siitä, että differentiaalivahvistimen rinnalle on kytketty lisätransistori (Q3) siten, 35 että sen kollektori ja emitteri on yhdistetty ensimmäisen 97656 transistorin (Ql) kollektoriin ja vast, emitteriin ja että myös lisätransistorin kanta on toiminnallisesti kytketty takaisinkytketyn vahvistimen lähtöön.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lineari-5 sointikytkentä, tunnettu siitä, että differentiaalivahvistimia on kytketty useita rinnan siten, että kunkin parin ensimmäisen transistorin kannalle tuotavalle takaisinkytketyn vahvistimen lähtöjännitteelle (Vc) on suoritettu yksilöllinen skaalaus (A) ja yksilöllinen tason- 10 siirto (Vn).

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lineari- sointikytkentä, tunnettu siitä, että differenti aalivahvistimen transistorien yhteen kytketyt emitterit on yhdistetty vakiovirtalähteeseen (It).

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen linearisointikyt- kentä, tunnettu siitä, että yksilöllisellä skaalauksella ja tasonsiirrolla muokataan epälineaarisen piirin epälineaarisuuskuvaaja vastaamaan linearisoitavan epälineaarisen komponentin epälineaarisuuskuvaajaa, jolloin 20 jokainen differentiaalivahvistin kompensoi omaa osaansa epälineaarisen komponentin epälineaarisuudesta. • · · • · · • · · • · • · • · · • · · • · · · • · · • · · • · · • ♦ · • · · • · · 1 r· atf t «ii4i i.*.*·** · · 97656