DE3879627T2 - Hüllkurvenverstärker. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenzverstärker für ein Eingangssignal mit veränderlicher Amplitude, der
• - eine Begrenzereinrichtung, um die Amplitudenschwankungen von dem Eingangssignal zu entfernen, sowie
• - eine Detektoreinrichtung zum Detektieren der Amplitudenschwankungen des Eingangssignales
• gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 umfaßt. Ein Verstärker mit diesen Merkmalen ist aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-83 727 bekannt.
• Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen HF-Verstärker für hohe Frequenzen mit einer Technik zur Entzerrung und Wiederherstellung der Hüllkurve (EER).
• Um den Wirkungsgrad von linearen Verstärkern für Hochfrequenz (HF) zu verbessern, sind bestimmte Techniken entwickelt worden. Die Hüllkurvenentzerrung und -Wiederherstellung (EER) ist eine derartige Technik. Wie in "Single Sideband Transmission by Envelope Elimination and Restoration" von L. R. Kahn in den Proceedings of the I.R.E. aus dem Juli 1952, Seiten 803-806 und in "Comparison of Linear Single-Sideband Transmitters with Envelope Elimination and Restoration Single-Sideband Transmitters" von L. R. Kahn in den proceedings of the I.R.E. aus dem Dezember 1956, Seiten 1706-1712, beschrieben, liefert diese Methode ein Verfahren zum Verstärken eines amplitudenveränderlichen Signales durch getrenntes Verstärken von dessen Phasen- und Hüllkurvenkomponenten.
• Das Eingangssignal wird amplitudenbegrenzt, so daß von dem HF- Verstärker mit hohem Wirkungsgrad ein Signal verstärkt wird, das nur eine Phasenmodulation aufweist. Dies erlaubt den Betrieb eines HF-Verstärkers mit hohem Wirkungsgrad, z. B. eines Klasse C Verstärkers, bei konstanter Steuerleistung. Die Hüllkurve des Eingangssignales wird in einem getrennten Pfad verarbeitet, um für den HF-Verstärker eine modulierte Spannungsversorgung bereitzustellen. Da der Ausgang des HF-Verstärkers in Abhängigkeit von seiner Versorgung variiert, wird die Hüllkurve des Signales als Teil des richtig verstärkten Ausgangssignales wieder hergestellt.
• In einem typischen System umfaßt der Modulator einen Hüllkurvendetektor und einen Hüllkurvenverstärker. Wenn der Modulator einen hinreichend hohen Wirkungsgrad aufweist, kann der gesamte Wirkungsgrad des EER-Systemes den eines Klasse A oder Klasse B Verstärkers übersteigen, welcher ansonsten erforderlich wäre, um das amplitudenveränderliche Signal zu verarbeiten. Der Wirkungsgrad des Hüllkurvenverstärkers ist daher ein bestimmendes Element für den Wirkungsgrad des gesamten Systems. Daher sind Konverter mit variablem Tastverhältnis und hoher Schaltgeschwindigkeit als Hüllkurvenverstärker verwendet worden. Die Schaltgeschwindigkeit von Konvertern mit variablem Tastverhältnis und hoher Schaltgeschwindigkeit muß jedoch in einem hinreichenden Maß höher sein als die Signalbandbreite, so daß es möglich ist, durch ein geeignetes Filter die Schaltfrequenzkomponenten zu entfernen. Für Signale mit großer Bandbreite kann die Schaltfrequenz so hoch sein, daß die begleitenden Schaltverluste den Wirkungsgrad des Verstärkers beträchtlich verringern. Dies ist eine wichtige Beschränkung bei der Verwendung von mit variablem Tastverhältnis schaltenden Konvertern als Hüllkurvenverstärker.
• Der in der EP-A-83 727 (siehe insbesondere Fig. 9) offenbarte Amplitudenmodulator liefert keine Verstärkung für die detektierte Amplitude, d. h. für die Signalhüllkurve. Stattdessen wird ein Digitalisierer verwendet, um Quellen derselben Trägerfrequenz (d. h. mit derselben Phasen- und Frequenzbeziehung) aber mit verschiedener Amplitude an- und abzuschalten.
• In Japanese Patent Abstract Ausgabe 6, Nr. 60 (E-102) (938) vom 17. April 1982 und JP-A-572107 vom 7. Januar 1982 ist eine Spannungsversorgungsschaltung für einen elektrischen Leistungsverstärker beschrieben, welcher eine Eingangssignalspannung mit einer Vielzahl von Referenzspannungen vergleicht und dementsprechend von einer Spannungsversorgung erzeugte Spannungen schaltet.
• Es besteht daher ein Bedarf an einem Hüllkurvenverstärker zur Verwendung in einem EER-System, welcher bei hoher Frequenz einen Betrieb mit merklich reduzierten Schaltverlusten mit sich bringt.
• Die folgende Erfindung stellt bei einem Hochfrequenzverstärker der eingangs beschriebenen Art die folgenden Merkmale bereit:
• eine Hüllkurvenverstärkervorrichtung zum Verstärken der detektierten Amplitudenschwankungen, wobei die Hüllkurvenverstärkervorrichtung umfaßt:
• - Spannungsversorgungsmittel zum Bereitstellen einer Mehrzahl von Ausgangspegeln,
• - Vergleichermittel zum Vergleichen der von der Detektoreinrichtung detektierten Amplituden mit einem von mehreren Schwellwerten, und
• - von den Vergleichermitteln betätigte Schaltmittel, um von den Spannungsversorgungsmitteln Ausgangspegel für die Verbindung mit dem Ausgangsbus der Hüllkurvenverstärkervorrichtung auszuwählen,
• Mittel zum Modulieren des Ausganges der Begrenzereinrichtung mit dem Ausgang der Hüllkurvenverstärkervorrichtung.
• Das letzte Merkmal, nämlich die Mittel zum Modulieren, sind als solche bereits in der europäischen Patentanmeldung EP-A-83 727 beschrieben.
• Die Spannungsversorgung ist dazu ausgelegt, auswählbare Ausgangsspannungen bereitzustellen. Der Vergleicher mißt die Amplitude eines Eingangssignales gegen einen von mehreren schwellwerten. Wenn das Eingangssignal in einem vorbestimmten Bereich liegt, wird ein ausgewählter Spannungsversorgungsausgang auf den Ausgangspfad geschaltet. Da bei der vorliegenden Erfindung stufenweise kleine Spannungswerte geschaltet werden, sind die Schaltverluste merklich verringert.
• Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Liefern einer quantisierten Kopie eines amplitudenveränderlichen Eingangssignales, mit den Schritten:
• - Begrenzen des Eingangssignales in der Amplitude,
• - Detektieren der Amplitudenschwankungen in dem Eingangssignal;
• wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:
• - Verstärken der detektierten Amplitudenschwankungen,
• - Bereitstellen von einer Vielzahl von Spannungsausgängen mit verschiedenen Ausgangspegeln,
• - Vergleichen der Augenblicksamplitude der detektierten Amplitudenschwankungen mit einer Mehrzahl von vorbestimmten Schwellwerten,
• - selektives Schalten der Spannungsausgänge auf einen Ausgangsbus in Antwort auf den Vergleich des Eingangssignales mit den vorbestimmten Schwellwerten, und
• - Modulieren des amplitudenbegrenzten Eingangssignales mit dem verstärkten Signal auf dem Ausgangsbus.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet und in der folgenden Diskussion der Zeichnung beschrieben, in der
• Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Hochfrequenzverstärkersystemes ist, das Hüllkurvenentzerrung und -wiederherstellung verwendet;
• Fig. 2 ein Bockdiagramm des Hüllkurvenverstärkers gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das einen typischen Regler zeigt, der zur Verwendung in dem Hüllkurvenverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
• Fig. 4 eine vereinfachte diagrammartige Darstellung des DC-DC-Wandlers ist, welcher in dem Hüllkurvenverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
• Fig. 5 ein schematisches Diagramm ist, welches einen typischen Leistungsschalter darstellt, der für die Verwendung im Zusammenhang mit dem Hüllkurvenverstärker der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
• Fig. 6 ein schematisches Diagramm des Vergleichers ist, der in dem Hüllkurvenverstärker der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
• Fig. 7(a) ein typisches Eingangssignal der Form 5(t) zeigt;
• Fig. 7(b) die Form des Signales zeigt, das als Antwort auf das Eingangssignal S(t) aus Fig. 7(a) von dem Detektor ausgegeben wird, welcher in einem beispielhaften Hüllrurvenentzerrungs und Wiederherstellungssystein verwendet wird;
• Fig. 7(c) die Form des Signales zeigt, das als Antwort auf die Eingabe des Signales von der in Fig. 7(b) gezeigten Form von einem Hüllkurvenver stärker eines Hüllkurvenentzerrungs- und Wiederherstellungssystemes ausgegeben wird;
• Fig. 7(d) die Ausgabe des Begrenzers eines Hüllkurvenentzerrungs- und Wiederherstellungssystemes als Antwort auf die Eingabe eines Signales von der in Fig. 7(a) gezeigten Form zeigt; und
• Fig. 7(e) die Ausgabe eines HF-Verstärkers eines Hüllkurvenentzerrungs- und Wiederherstellungssystemes in Antwort auf die Eingabe des Signales von der in Fig. 7(a) gezeigten Form zeigt, wenn der Verstärker durch ein Signal von der in Fig. 7(c) gezeigten Form betrieben wird.
Beschreibung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Hüllkurvenverstärker, welcher die Signalbandbreite vergrößert, über welcher ein linearer Verstärker mit Hüllkurvenentzerrung und -wiederherstellung wirksam betrieben werden kann. Die Erfindung zeigt geringere Schaltverluste als ein konventioneller Verstärker, welcher zur Hüllkurvenverstärkung einen Konverter mit variablem Tastverhältnis verwendet.
• Ein typisches EER-System ist in Fig. 1 gezeigt. Durch einen Begrenzer 12 wird die Hüllkurve von dem Eingangssignal S(t) entfernt. Der Begrenzer 12 liefert ein amplitudenbegrenztes phasen- und/oder frequenzmoduliertes Signal als Eingabe an einen HF-Verstärker 14. Die Hüllkurve wird durch die Kombination eines konventionellen Leistungsverstärkers 16 und eines Hüllkurvenverstärkers 20 wieder hergestellt. Der Hüllkurvenverstärker 20 verstärkt die Hüllkurve des Eingangssignales, wie sie von dem Leistungsdetektor 16 detektiert wurde, und verwendet sie um die Versorgungsspannung des HF-Verstärkers 14 zu modulieren. Dadurch, daß die Phasen- und Hüllkurvenkomponenten des Eingangssignales getrennt verstärkt werden, wird ein HF-Verstärker mit hohem Wirkungsgrad erreicht, welcher mit konstanter Steuerleistung arbeitet. Wenn der Hüllkurvenverstärker einen hinreichend hohen Wirkungsgrad aufweist, kann der gesamte Wirkungsgrad des Systemes den eines linearen Klasse A oder Klasse B Verstärkers übersteigen, welcher ansonsten erforderlich wäre, um das amplitudenveränderliche Signal zu verarbeiten.
• Wie in Fig. 2 gezeigt, schafft die vorliegende Erfindung einen Hüllkurvenverstärker 20 mit hohem Wirkungsgrad, welcher einen Regler 22, einen DC-DC-Wandler 24, eine Vielzahl von Schaltern 26 - 38 (nur geradzahlige Bezugszeichen), eine Vielzahl von Dioden 40 - 54 (nur geradzahlige Bezugszeichen) und einen Vergleicher 60 umfaßt. Die Komponenten des Verstärkers 20 sind für optimalen Wirkungsgrad ausgelegt und ausgewählt.
• Der Regler 22 nimmt Gleichspannung (DC) von einer Batterie oder einem Array von Solarzellen (nicht gezeigt) auf und liefert eine geregelte Spannung für den DC-DC-Wandler 24. Eine beispielhafte Implementierung des Reglers 22 ist in Fig. 3 gezeigt. Für optimalen Wirkungsgrad wird die Längsregelstufe 62 durch den DC-DC-Wandler 24 mit einer erdfreien Sockelwertspannung 64 (z. B. 4 Volt) versorgt. Ein linearer Komparator 66 überwacht den Ausgang der Längsregelstufe 62 über einen Spannungsteiler, der durch die Widerstände R1 und R2 gebildet wird. Der lineare Komparator 66 vergleicht den gemessenen Ausgangspegel mit einem Referenzpegel und steuert die Längsregelstufe 62 über eine Pufferstufe 68 und eine Treiberstufe 70. Der Ausgang wird durch einen Satz von Kondensatoren 72 gefiltert. Der "EIN"-Befehl wird über einen ersten Puffer 74 zugeführt, während der "AUS"- Befehl über einen zweiten Puffer 76 zugeführt wird. Durch eine Schaltung 78 zur Unterspannungsabschaltung wird für einen Unterspannungsschutz gesorgt. Dem Fachmann auf diesem Gebiet sind zusätzlich Techniken bekannt, um innerhalb des Bereiches der Erfindung für eine geregelte Versorgung für den DC-DC-Wandler 24 zu sorgen.
• Eine vereinfachte diagrammartige Darstellung des DC-DC-Wandlers 24 ist in Fig. 4 gezeigt. Eine integrierte Spannungsversorgungsschaltung (PSIC) 80 liefert einen Treibertakt für ein Paar von komplementären Treiberstufen 82 und 84. Die Treiberstufen 82 und 84 steuern Schalttransistoren 86 bzw. 88, welche wiederum die Primärwicklung eines Transformators 90 steuern. Durch Paare von Abgriffen von der Sekundärspule des Transformators 90, e.g. T11 und T13, Dioden 98 sowie ein oder mehrere Elemente des RC-Netzwerkes aus Kondensatoren C1 bis C9 und Widerständen R1 bis R8 wird eine Vielzahl von gleichgerichteten, gefilterten Gleichspannungsausgängen geliefert. Im Betrieb empfängt eine starterschaltung 92 eine Eingabe des Reglers 22 und initiiert den Betrieb der integrierten Spannungsversorgungsschaltung 80 und der Treiberstufen 82 und 84. Daraufhin wird der PSIC 80 und den Treiberstufen 82 und 84 durch eine gleichgerichtete DC-Ausgangsspannung (z. B. 13 Volt) des Transformators 90 Spannung zugeführt. Der DC-DC-Wandler 24 liefert auf diese Weise vielfache Ausgangsspannungspegel für die Schalter 26 bis 38.
• Die Schalter 26 - 38 erlauben es dem Vergleicher 60 geeignete Ausgangspegel des DC-DC-Wandlers auszuwählen, um sie in Abhängigkeit von Veränderungen in der detektierten Hüllkurvenein gangsspannung auf den Ausgangsbus 56 zu schalten. Eine beispielhafte Implementierung eines typischen Leistungsschalters 26 ist in Fig. 5 gezeigt. Aus Gründen des Wirkungsgrades ist der Schalter um die Versorgungsspannung Vcci durch Abgriffe T9/T15 und T11/T13 bei 51 bzw. 53 erdfrei gehalten. Diese Abgriffe sind den Abgriffen T10/T14 benachbart, welche bei 55 die Spannungsversorgung für den Schalter 26 bereitstellen.
• Die Eingabe von dem Vergleicher 60 schaltet den Transistor Q1 ein, welcher die Spannung an dem Punkt A herunterzieht, was den Transistor Q3 einschaltet. Q3 aktiviert dann die Transistoren Q5 und Q6. Wenn Q6 durchgeschaltet ist, gelangt die Eingangsspannung von dem Abgriff T10 bei 55 zu dem Ausgangsbus 56. Wenn die Eingabe von dem Vergleicher 60 zurückgenommen wird, gehen Q1 und Q3 auf "AUS", Q2 und Q4 gehen an, Q6 geht aus und der Schaltereingang 55 ist von dem Ausgangsbus 56 über eine Diode, z. B. 42, isoliert.
• Fig. 6 zeigt eine illustrative Implementierung des Vergleichers 60. Die detektierte Hüllkurve von dem Detektor 16 gelangt an den Eingangsanschluß 99. Über dem Widerstand R13 entsteht ein Spannungsabfall, welcher den Eingang für eine Vielzahl von Operationsverstärkern 100 - 112 liefert. Die Operationsverstärker wirken als Komparatoren. Die Referenzeingänge werden durch ein Spannungsteilernetzwerk von Widerständen R14 - R21 bereitgestellt, welche zwischen eine Referenzspannung (+) und Masse geschaltet sind. Auf diese Weise vergleicht zum Beispiel der OpAmp 100 die Hüllkurveneingabe an seinem (+) Anschluß mit der Referenzspannung an der Verbindung der Widerstände R14 und R15. Mit der Ausnahme des ersten OpAmp 100 liefert jeder OpAmp komplementäre Ausgänge O und O' an zwei der UND-Gatter 116 - 128. Dies ermöglicht es jedem OpAmp, sobald er aktiviert ist, das Ausgangsgatter des vorhergehenden OpAmp abzuschalten. Da zum Beispiel OpAmp 100 einen einzelnen Ausgang hat, ist das UND-Gatter 116 immer dann auf "EIN", wenn der erste OpAmp 100 auf "EIN" ist und der zweite OpAmp 102 auf "AUS" ist. Wenn die Hüllkurveneingangsspannung über den Schwellwert des zweiten OpAmp 102 ansteigt, wird der zweite OpAmp 102 aktiviert, sein O-Ausgang geht auf HIGH und sein 0'-Ausgang geht auf LOW. Dies schaltet das UND-Gatter 116 aus und das UND-Gatter 118 an. Auf diese Weise aktivieren die UND-Gatter 116 - 128 wahlweise in Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignales die jeweiligen Schalter 26 - 38.
• Wenn im Betrieb unter Bezugnahme auf Fig. 1 ein Eingangssignal S(t) von der in Fig. 7(a) gezeigten Form von dem Detektor am Punkt 'a' empfangen wird, so gibt der Detektor 16 am Punkt 'b' ein Signal von der in Fig. 7(b) gezeigten Form aus. Der Hüllkurvenverstärker 20 gemäß der vorliegenden Erfindung gibt eine verstärkte quantisierte Kopie der Eingangshüllkurve am Punkt 'c' von der in Fig. 7(c) gezeigten Form aus. Dieses Signal liefert die Strombelastbarkeit und damit die Spannungsbelastbarkeit, um den HF-Verstärker 14 so zu treiben, daß er auf wirksame Weise die Hüllkurve des Eingangssignales repliziert. Der Signaleingang an den HF-Verstärker 14 am Punkt 'b' ist die Phasen- und Frequenzinformation des Eingangssignales S(t). Die Hüllkurve ist von diesem Signal durch den Begrenzer 12 entfernt worden, so daß das Signal eine wie in Fig. 7(d) gezeigte Form aufweist. Der HF-Verstärker 14 liefert am Punkt 'e' die Systemausgabe mit der in Fig. 7(e) gezeigten Form. Schaltverluste werden in der vorliegenden Erfindung dadurch verringert, daß relativ kleine Spannungswerte geschaltet werden.
• Obwohl der einen hohen Wirkungsgrad aufweisende Hüllkurvenverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel für eine bestimmte Anwendung beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt.
• Der Fachmann auf diesem Gebiet wird durch Zugriff auf die oben bereitgestellte Lehre zusätzliche Veränderungen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele im Bereich der Erfindung erkennen. Die Erfindung ist zum Beispiel nicht auf eine spezielle Implementierung der Spannungsversorgung, der Leistungsschalter oder des Vergleichers beschränkt. obwohl die vorliegende Erfindung einen leistungswirksamen Hüllkurvenverstärker mit besonderer Verwendbarkeit in einen hohen Wirkungsgrad aufweisenden Verstärkern schafft, welche die EER-Technik verwenden, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt. Die Erfindung kann in jedem System verwendet werden, wo es wünschenswert ist, eine quantisierte Kopie eines Eingangssignales bereitszustellen.
• Es ist daher durch die beigefügten Ansprüche beabsichtigt, alle beliebigen derartigen Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele abzudecken.

Claims (6)

1. Hochfrequenzverstärker für ein Eingangssignal mit veränderlicher Amplitude, der umfaßt:

- eine Begrenzereinrichtung (12), um die Amplitudenschwankungen von dem Eingangssignal zu entfernern;

- eine Detektoreinrichtung (16) zum Detektieren der Amplitudenschwankungen des Eingangssignales;

gekennzeichnet durch

- eine Hüllkurvenverstärkervorrichtung (20) zum Verstärken der detektierten Amplitudenschwankungen, wobei die Hüllkurvenverstärkervorrichtung (20) umfaßt:

- - Spannungsversorgungsmittel (22, 24) zum Bereitstellen einer Mehrzahl von Ausgangspegeln;

- - Vergleichermittel (60; 100 - 112) zum Vergleichen der von der Detektoreinrichtung (16) detektierten Amplitude mit einem von mehreren Schwellwerten; und

- - von den Vergleichermitteln (60; 100 - 112) betätigte Schaltmittel (26 - 38), um von den Spannungsversorgungsmitteln (22, 24) Ausgangspegel für die Verbindung mit dem Ausgangsbus der Hüllkurvenverstärkervorrichtung auszuwählen; und

- Mittel (14) zum Modulieren des Ausganges der Begrenzereinrichtung (12) mit dem Ausgang der Hüllkurvenverstärkervorrichtung (20).

2. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungsmittel (22, 24) einen Gleichspannungswandler (24) umfassen.

3. Hochfrequenzverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgungsmittel (22, 24) Spannungskonstanthaltermittel (22) für die Spannungsversorgung des Gleichspannungswandlers (24) umfassen.

4. Hochfrequenzverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Modulieren ein Verstärker, vorzugsweise ein HF-Verstärker (14) sind.

5. Hochfrequenzverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Diodenlogik (40 - 54) zwischen den Schaltmitteln (26 - 38) und dem Ausgangsbus.

6. Verfahren zum Liefern einer quantisierten Kopie eines amplitudenveränderlichen Eingangssignales, mit den Schritten:

- Begrenzen (12) des Eingangssignales in der Amplitude;

- Detektieren (16) der Amplitudenschwankungen in dem Eingangssignal;

gekennzeichnet durch die Schritte:

- Verstärken (20) der detektierten Amplitudenschwan kungen;

- Bereitstellen (22, 24) einer Vielzahl von Spannungsausgängen mit verschiedenen Ausgangspegeln;

- Vergleichen (60; 100 - 112) der Augenblicksamplitude der detektierten Amplitudenschwankungen mit einer Mehrzahl von vorbestimmten Schwellwerten;

- Selektives Schalten (26 - 38) der Spannungsausgänge auf einen Ausgangsbus in Antwort auf den Vergleich des Eingangssignales mit den vorbestimmten Schwellwerten; und

- Modulieren (14) des amplitudenbegrenzten Eingangssignales mit dem verstärkten Signal auf dem Ausgangsbus.