Probleme bei Rampen-Integratoren

Bei den Oszillatoren (VCO’s) wird der Steuerstrom des Exponential-Konverters dazu verwendet, mittels eines Rampen-Intergrators zuerst eine Sägezahnschwingung zu erzeugen. Aus diesem Sägezahn wird dann mit einem Stromspiegel ein Dreieck erzeugt, aus dem wiederum mit Komparatoren das Rechteck gewonnen wird.

Anmerkung: Falls man den Exponential-Konverter getrennt betrachtet, handelt es sich bei diesen Oszillatoren immer um CCO’s (Current Controlled Oscillators).

Da es aber unmöglich ist, einen Kondensator, egal wie gering seine Kapazität ist, in Nullzeit zu entladen, kann die Flanke des Sägezahns niemals zu 100% steil sein. Daraus folgt, dass die Erzeugung des Dreiecks mit dem Stromspiegel fehlerhaft ist.


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Die Animationen verdeutlichen (allerdings stark übertrieben) dieses Problem:

Stromspiegel 1

Ideal, aber nicht realisierbar – Sägezahn- und Dreieck-Erzeugung mit Stromspiegel.

 

 

Stromspiegel 2

Realisierbar, Flanke des Sägezahns ist nicht 100% steil – Fehlerhaftes Dreieck.

 

 

Dieses fehlerhafte Dreieck, welches ja durch die unzureichende Flankensteilheit des Sägezahns entsteht, wird in der Praxis mit einem Kondensator korrigiert. Leider wird dadurch die obere Spitze des Dreiecks frequenzabhängig abgerundet.

Dreieck rund

Durch einen Kondensator korrigiertes, aber abgerundetes Dreieck.

 

 


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Problem: Je größer die Flankensteilheit des Sägezahns ist, desto größer muss die Kapazität dieses Kondensators gewählt werden. Wird die Flankensteilheit des Sägezahns geringer, erhöht sich der Pegel der ersten Oberwelle bis theoretisch 100% – eine Frequenz-Verdopplung ist die Folge.

Dreieck Frequenz-Verdopplung

Theoretische Frequenz-Verdopplung durch geringe Sägezahnflanke.

 

 


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Problem: Die Energie einer Flanke ist ein Differenzial. Vereinfacht ausgedrückt, steigt die Energie, je steiler die Flanke wird, bis theoretisch unendlich. Der Kondensator verliert seine Wirkung! Das Ergebnis ist eine drastische Erhöhung des inharmonischen Oberwellengehalts. Man hört quasi zwei Wellenformen – Dreieck und Puls. Zusätzlich verändert sich der Puls mit zunehmender Frequenz theoretisch bis zum Rechteck, da die Zeit der Flanke konstant, die Frequenz jedoch variabel ist.

Diese konstante Schaltzeit, die der Rampen-Integrator benötigt, sorgt außerdem für den nichtlinearen Frequenzverlauf des VCO’s. Während die Schaltzeit im niedrigen Frequenzbereich keine Rolle spielt, nimmt deren Einfluss bei hohen Frequenzen zu. Diese Nichtlinearität wird mit einem High-End-Trim korrigiert.

High-End-Trim

Über Rhi fällt eine Spannung ab, die proportional zum Ladestrom ist. Bei kleinen Ladeströmen (niedrige Frequenzen) ist er fast wirkungslos, während bei steigenden Ladeströmen (hohe Frequenzen) über Rhi mehr Spannung abfällt.


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Problem: Die Wirkung bestimmt nicht nur die Zeit, sondern es kommt auch noch zu einer zeit- bzw. frequenz-variablen Erhöhung des Innenwiderstandes der Stromquelle. Dadurch ist der Ladestrom aber nicht mehr über die Zeit konstant, sondern steigt durch die Potential-Verschiebung mit Ur-Uc an. Dies hat in hohen Frequenzen eine Deformation des Sägezahns zur Folge.

Sägezahn Deformation

Links: Kleiner Ladestrom (niedrige Frequenz).

Rechts: großer Ladestrom (hohe Frequenz).

 

Diese Deformation birgt eine Fehler-Fortpflanzung in sich, da alle Wellenformen aus diesem Sägezahn erzeugt werden.


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Zum Schluss einige stark übertriebene Darstellungen, welche die Deformationen zeigen (Links: niedrige Frequenzen , Rechts: hohe Frequenzen).

Ideale Formen

Ideal, aber mit Rampen-Integratoren nicht realisierbar.

 

 

Reale Formen

Real, ohne Glättungskondensator und ohne High-End-Trim.

 

 

Resultierende Formen

Real, mit Glättungskondensator und mit High-End-Trim.

 

 

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