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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Frequenzmodulation, die einen Oszillator mit einem oder mehreren Transistoren enthält, der durch das frequenzmodulierte Eingangssignal mitgenommen wird, und in deren Ausgangskreis ein Tiefpass zur Abnahme des demodulierten Signals geschaltet ist, vorzugsweise in einer Ausführung, in der alle oder mehrere Bauteile in integrierter Technik hergestellt werden, gegebenenfalls gemeinsam mit dem Zwischenfrequenz-Verstärker und/oder dem Niederfrequenz-Verstärker.
Es sind zahlreiche FM-Demodulatorschaltungen bekannt, von denen zur Zeit der Ratiodetektor am häufigsten verwendet wird. Bei dieser Schaltung werden keine aktiven Schaltelemente benötigt ; es müssen jedoch ein verhältnismässig kompliziertes Filter, sowie ein Elektrolytkondensator verwendet werden (s. z. B. Seeley, S. W. and AvinsJ. :"The ratio detector", RCA Review, [1947], Bd. 8, S. 201 bis 236). Andere Schaltungen, die zur Frequenzdemodulation geeignet sind, sind unter Verwendung von Röhren mit zwei Steuergittern aufgebaute Mitnahmeoszillatoren. Diese sind dem Ratiodetektor hinsichtlich Linearität, Begrenzerwirkung, Selektivität, sowie hinsichtlich der durch das Verhältnis der Niederfrequenzspannung am Ausgang zur Zwischenfrequenzspannung am Eingang definierten Empfindlichkeit überlegen (s. z. B. Bradley, W.
E. :"Single-stage FM detector", Electronics, October 1946, Bd. 19, S. 88 bis 91). Die Verwendung solcher Schaltungen in Rundfunk- oder Fernsehempfängern stösst jedoch auf Schwierigkeiten, da nur mit Hilfe besonderer Massnahmen, nämlich niederohmiger Ankopplung des Oszillators an die letzte Zwischenfrequenzstufe durch Anzapfung des Schwingkreises am Eingang des Oszillators, oder Verwendung von Spezialröhren mit extrem geringer Kopplung zwischen erstem und zweitem Steuergitter eine Selbsterregung des Zwischenfrequenz-Verstärkers vermieden werden kann (s. z. B. Woschni, E.-G. : "Frequenzmodulation", VEB Verlag Technik Berlin, [1959], S. 154 bis 1957).
Ferner sind gemäss der USA-Patentschrift Nr. 3, 030, 585 Transistorschaltungen bekannt, bei denen die Frequenz eines Oszillators vom ankommenden Signal mitgenommen wird und die Demodulatorwirkung darauf beruht, dass der frequenzmässige Aussteuerbereich auf der Flanke eines Resonanzkreises liegt. Diese Schaltungen benötigen aber, um das Schwingen des Oszillators mit einer Frequenz, die auf der Flanke des Resonanzkreises liegt, zu erzielen, komplizierte Filter bzw. Schaltmittel zur Rückkopplung, die in ihrem schaltungsmässigen Aufwand, insbesondere im Hinblick auf die verwendeten Spulen, keine Vorteile gegenüber den beim Ratiodetektor verwendeten mit sich bringen.
Weitere Schaltungen zur Frequenzdemodulation gemäss der USA-Patentschrift Nr. 2, 935, 607 umfassen Mitnahmeoszillatoren in Kombination mit jeweils mindestens einer zusätzlichen Mischstufe, die zum Funktionieren dieser Schaltungen unerlässlich ist. Ausserdem treten ausser der Frequenz des Eingangssignals mindestens zwei weitere Frequenzen auf. Daher erfordern diese Schaltungen einen aussergewöhnlich hohen Aufwand an Schaltmittel.
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, frequenzmodulierte Schwingungen unter Verwendung einfacher Transistor-Mitnahmeoszillatoren mit guter Linearität und Begrenzerwirkung, sowie hoher Selektivität und Empfindlichkeit zu demodulieren. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei der eingangs erwähnten Schaltung dadurch gelöst, dass das frequenzmodulierte Signal einer Steuerelektrode eines Unipolartransistors bzw. in an sich bekannter Weise der Basis eines bipolaren Transistors zugeführt wird, dass ferner die Schwingungserzeugung in an sich bekannter Weise durch Rückkopplung zwischen Quellen-und Senkenelektrodenkreis bzw.
zwischen Kollektor- und Emitterkreis erzielt wird, wobei jedoch nur ein einziger Schwingkreis verwendet wird, dessen Resonanzfrequenz mit der Frequenz des unmodulierten Eingangssignals übereinstimmt und der einen ohmschen Widerstand zur Einstellung der zur Demodulation notwendigen Bandbreite enthält, und dass ein RC-Glied, dessen Zeitkonstante in der Grössenordnung der reziproken Frequenz des Eingangssignals ist und das eine zur Erzielung einer linearen Abhängigkeit zwischen der Augenblicksfrequenz des Eingangssignals und dem Augenblickswert des Quellen- oder Senkenelektrodenstromes bzw.
des Kollektorstromes notwendige Phasendrehung zwischen mitnehmender Signalspannung und mitgenommener Oszillatorspannung einstellt, die in der Mitte des Mitnahmebereiches einen von Null verschiedenen Wert hat und bei Abweichen der Signalfrequenz von der Frequenz des frei schwingenden Oszillators nach oben oder unten infolge der Änderung der durch den Schwingkreis verursachten Phasendrehung grösser bzw. kleiner als dieser Wert ist, zwischen der Quellen- oder Senkenelektrode bzw. dem Emitter und einem wechselstrommässig mit Masse verbundenen Punkt der Schaltung liegt.
Weitere vorteilhafte Entwicklungen sind dadurch gegeben, dass der Oszillator mit einer Eigenfrequenz schwingt, die in einem rationalen Verhältnis zur Zwischenfrequenz steht und dass die Signalspannung und die Oszillatorspannung getrennt an je einer von zwei mit derselben Zone verbundenen Steuerelektroden eines Unipolartransistors liegen.
Bei der Erfindung tritt, im Gegensatz zu Röhrenschaltungen, auf Grund der niederohmigen Ein- und Ausgangswiderstände bei Transistorschaltungen keine Selbsterregung der Zwischenfrequenzstufen auf. Während daher bei Röhrenschaltungen Spezialröhren benötigt werden, können in Transistorschaltungen handelsübliche Transistoren der verschiedensten Typen verwendet werden. Gegebenenfalls kann vor den Mitnahmeoszillator eine Impedanzwandlerstufe geschaltet werden. Diese Stufe verursacht keinen Mehraufwand gegenüber einer sonst üblichen Empfängerschaltung, da infolge der hohen Empfindlichkeit und Selektivität der erfindungsgemässen Anordnung eine oder mehrere Zwischenfrequenz-Verstärkerstufen eingespart werden können. Gegebenenfalls können der Zwischenfrequenz-Verstärker und die Mischstufe überhaupt weggelassen werden.
Um die Schwingneigung des Zwischenfrequenz-Verstärkers zu verringern, kann der Mitnahmeoszillator auch auf einer
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Frequenz schwingen, die ungleich der Zwischenfrequenz ist, aber in einem rationalen Verhältnis zu ihr steht.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ist dem Ratiodetektor hinsichtlich Linearität, Empfindlichkeit, Begrenzerwirkung und Selektivität überlegen. Ferner werden gegenüber dem Ratiodetektor und den bisher bekannten Transistorschaltungen weder Elektrolytkondensatoren noch komplizierte Bandfilter benötigt. Die vorliegende Schaltung eignet sich ausserdem besser zur Herstellung in integrierter Technik, da sie nur eine Spule benötigt. Es besteht daher die Möglichkeit, Zwischenfrequenz-Verstärker, Transistor-Mitnahmeoszillator und Niederfrequenz-Verstärker gemeinsam in integrierter Technik herzustellen.
Auf Grund ihrer Selektivität ist die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung ausserdem zur Verwendung zusammen mit integrierter Zwischen- frequenz-Verstärkern-die zur Selektivität des Empfängers nichts beitragen-besser geeignet als andere FM-Demodulatoren, z. B. der Ratiodetektor.
In den Zeichnungen ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung dargestellt. Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines zur Frequenzdemodulation verwendeten Transistor-Mitnahmeoszillators--l--mit einem Tiefpass --2-- zur Aufnahme der Niederfrequenz. Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mit einem einzigen Transistor --3-- bestückten Mitnahmeoszillators, bei dem das Signal der Basis des Transistors zugeführt, und die Niederfrequenz-Spannung über ein RC-Glied (Widerstand --4-- und Kondensator-5--) als einfachster Form des Tiefpasses --2-- abgenommen wird.
Bei einer Schaltung dieser Art genügt ein schwaches Zwischenfrequenzsignal, um den Oszillator in einem weiten Frequenzbereich mitzunehmen, der etwas grösser als die zur übertragung frequenzmodulierter Schwingungen notwendige Bandbreite sein soll. Die Breite des Mitnahmebereiches wird durch die Güte des Schwingkreises bestimmt und kann im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit dem Widerstand --6-- eingestellt werden. Die gute Begrenzerwirkung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung beruht auf der Tatsache, dass die Amplitude der mitnehmenden Spannung die Amplitude des Oszillators, die durch im Transistor auftretende Nichtlinearitäten begrenzt und bestimmt wird, nicht beeinflusst. Wird der Oszillator von einem Signal mitgenommen, so stört ein in der Frequenz benachbartes Signal nur dann, wenn es um mehrere Grössenordnungen stärker ist.
Daher benötigt die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung nur wenig oder gar keine Vorselektion durch den Zwischenfrequenz-Verstärker. Durch die ausser dem Transistor (3) vorhandenen frequenzbestimmenden Schaltelemente (im Beispiel nach Fig. 2 die Spule-7-und die Kondensatoren-8, 9, 10--) und im besonderen durch die zusätzlich phasendrehenden Netzwerke (im Beispiel nach Fig. 2 der Kondensator--10--
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Abweichung der Signalfrequenz von der Frequenz des frei schwingenden Oszillators nach oben oder unten ist sie infolge der Änderung der durch den Schwingkreis verursachten Phasendrehung grösser bzw. kleiner als dieser Wert.
Dabei wird eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Augenblickswert der Frequenz der Signalspannung und dem Augenblickswert des niederfrequenten Anteils der Transistorspannungen und-ströme, insbesondere des Kollektorstromes, erzielt. Die Widerstände --12, 13-- dienen im wesentlichen zur Einstellung des Gleichstromarbeitspunktes des Transistors--3--.
Der Transistor-Mitnahmeoszillator ist nicht an eine bestimmte Art von Transistoren gebunden. Statt des in Fig. 2 abgebildeten pnp-Transistors können auch npn-Typen oder Unipolartransistoren verwendet werden. Eine günstige Ausführungsform ist auch durch die Verwendung von Feldeffekttransistoren mit zwei Steuerelektroden gegeben, wobei die mitnehmende Zwischenfrequenz-Spannung einer Steuerelektrode zugeführt wird und die andere Steuerelektrode zum Oszillatorkreis gehört, was die Schwingneigung des Systems aus Zwischenfrequenz-Verstärker und Transistor-Mitnahmeoszillator verringert. Zur Verringerung einer etwaigen noch immer bestehenden Schwingneigung können zwei sehr einfache Hilfsmittel dienen. Das erste ist die Zwischenschaltung eines Impedanzwandlers, der mit Transistoren sehr leicht und billig aufzubauen ist.
Das zweite ist die Bemessung der Oszillatorfrequenz so, dass sie nicht gleich der Zwischenfrequenz ist, sondern in einem rationalen Verhältnis zu ihr steht.
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The invention relates to a circuit arrangement for frequency modulation, which contains an oscillator with one or more transistors, which is carried along by the frequency-modulated input signal, and in the output circuit of which a low-pass filter is connected to pick up the demodulated signal, preferably in an embodiment in which all or more Components are manufactured in integrated technology, possibly together with the intermediate frequency amplifier and / or the low frequency amplifier.
Numerous FM demodulator circuits are known, of which the ratio detector is the most widely used at present. No active switching elements are required in this circuit; however, a relatively complicated filter and an electrolytic capacitor must be used (see, for example, Seeley, S. W. and AvinsJ.: "The ratio detector", RCA Review, [1947], vol. 8, pp. 201 to 236). Other circuits suitable for frequency demodulation are drive-along oscillators constructed using tubes with two control grids. These are superior to the ratio detector in terms of linearity, limiting effect, selectivity, and in terms of the sensitivity defined by the ratio of the low frequency voltage at the output to the intermediate frequency voltage at the input (see e.g. Bradley, W.
E.: "Single-stage FM detector", Electronics, October 1946, Vol. 19, pp. 88 to 91). However, the use of such circuits in radio or television receivers runs into difficulties, since only with the help of special measures, namely low-resistance coupling of the oscillator to the last intermediate frequency stage by tapping the resonant circuit at the input of the oscillator, or using special tubes with extremely low coupling between the first and self-excitation of the intermediate frequency amplifier can be avoided with the second control grid (see e.g. Woschni, E.-G.: "Frequency modulation", VEB Verlag Technik Berlin, [1959], pp. 154 to 1957).
Furthermore, transistor circuits are known according to US Pat. No. 3,030,585 in which the frequency of an oscillator is taken along by the incoming signal and the demodulator effect is based on the fact that the frequency modulation range is on the edge of a resonant circuit. However, in order to achieve the oscillation of the oscillator at a frequency that is on the edge of the resonance circuit, these circuits require complicated filters or switching means for feedback, which in terms of their circuit complexity, especially with regard to the coils used, have no advantages over this bring with them that used in the ratio detector.
Further circuits for frequency demodulation according to US Pat. No. 2, 935, 607 include driver oscillators in combination with at least one additional mixer stage, which is essential for these circuits to function. In addition to the frequency of the input signal, at least two other frequencies occur. These circuits therefore require an extraordinarily high level of complexity in terms of switching means.
The invention is concerned with the task of demodulating frequency-modulated oscillations using simple transistor driven oscillators with good linearity and limiter effect, as well as high selectivity and sensitivity. According to the invention, this object is achieved in the aforementioned circuit in that the frequency-modulated signal is fed to a control electrode of a unipolar transistor or in a manner known per se to the base of a bipolar transistor, and that the oscillation is also generated in a manner known per se by feedback between source and Sink electrode circle or
is achieved between the collector and emitter circuit, but only a single resonant circuit is used, the resonance frequency of which corresponds to the frequency of the unmodulated input signal and which contains an ohmic resistor for setting the bandwidth necessary for demodulation, and that an RC element, whose time constant in is of the order of magnitude of the reciprocal frequency of the input signal and the one to achieve a linear dependence between the instantaneous frequency of the input signal and the instantaneous value of the source or sink electrode current or
of the collector current, the necessary phase rotation between the driving signal voltage and the driven oscillator voltage is set, which has a value other than zero in the middle of the driving area and which is greater if the signal frequency deviates from the frequency of the freely oscillating oscillator up or down due to the change in the phase rotation caused by the oscillating circuit or is smaller than this value, lies between the source or drain electrode or the emitter and a point of the circuit connected to ground in terms of alternating current.
Further advantageous developments are given by the fact that the oscillator oscillates at a natural frequency that is in a rational relationship to the intermediate frequency and that the signal voltage and the oscillator voltage are each connected separately to one of two control electrodes of a unipolar transistor connected to the same zone.
With the invention, in contrast to tube circuits, there is no self-excitation of the intermediate frequency stages due to the low-ohmic input and output resistances in transistor circuits. While special tubes are therefore required in tube circuits, commercially available transistors of the most varied of types can be used in transistor circuits. If necessary, an impedance converter stage can be connected in front of the driving oscillator. This stage does not cause any additional expenditure compared to an otherwise customary receiver circuit, since one or more intermediate frequency amplifier stages can be saved as a result of the high sensitivity and selectivity of the arrangement according to the invention. If necessary, the intermediate frequency amplifier and the mixer stage can be omitted at all.
In order to reduce the tendency of the intermediate frequency amplifier to oscillate, the drive oscillator can also be used on a
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Vibrate frequency that is unequal to the intermediate frequency, but is in a rational relationship to it.
The circuit arrangement according to the invention is superior to the ratio detector in terms of linearity, sensitivity, limiting effect and selectivity. Furthermore, compared to the ratio detector and the previously known transistor circuits, neither electrolytic capacitors nor complicated band filters are required. The present circuit is also better suited for manufacture in integrated technology, since it only requires one coil. There is therefore the possibility of producing intermediate frequency amplifiers, transistor driven oscillators and low frequency amplifiers together using integrated technology.
Due to its selectivity, the circuit arrangement according to the invention is also more suitable for use together with integrated intermediate frequency amplifiers - which contribute nothing to the selectivity of the receiver - than other FM demodulators, e.g. B. the ratio detector.
An exemplary embodiment of the circuit arrangement according to the invention is shown in the drawings. Fig. 1 shows the block diagram of a transistor driven oscillator used for frequency demodulation - 1 - with a low-pass filter - 2 - for recording the low frequency. Fig. 2 shows an embodiment of a driving oscillator equipped with a single transistor --3--, in which the signal is fed to the base of the transistor, and the low-frequency voltage via an RC element (resistor --4-- and capacitor -5 -) as the simplest form of the low pass --2-- is accepted.
In a circuit of this type, a weak intermediate frequency signal is sufficient to take the oscillator along in a wide frequency range, which should be somewhat larger than the bandwidth required for the transmission of frequency-modulated oscillations. The width of the driving area is determined by the quality of the resonant circuit and can be set in the embodiment according to FIG. 2 with the resistor --6--. The good limiting effect of the circuit arrangement according to the invention is based on the fact that the amplitude of the driving voltage does not influence the amplitude of the oscillator, which is limited and determined by nonlinearities occurring in the transistor. If the oscillator is carried along by a signal, a signal with a neighboring frequency only interferes if it is several orders of magnitude stronger.
The circuit arrangement according to the invention therefore requires little or no preselection by the intermediate frequency amplifier. By the frequency-determining switching elements present in addition to the transistor (3) (in the example according to FIG. 2 the coil 7 and the capacitors 8, 9, 10--) and in particular by the additional phase-shifting networks (in the example according to FIG. 2 the capacitor - 10--
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If the signal frequency deviates upwards or downwards from the frequency of the freely oscillating oscillator, it is larger or smaller than this value as a result of the change in the phase rotation caused by the oscillating circuit.
A linear dependence between the instantaneous value of the frequency of the signal voltage and the instantaneous value of the low-frequency component of the transistor voltages and currents, in particular the collector current, is achieved. The resistors --12, 13-- essentially serve to set the DC operating point of the transistor - 3--.
The transistor driven oscillator is not tied to a specific type of transistor. Instead of the pnp transistor shown in FIG. 2, npn types or unipolar transistors can also be used. A favorable embodiment is also given by the use of field effect transistors with two control electrodes, the driving intermediate frequency voltage being fed to one control electrode and the other control electrode belonging to the oscillator circuit, which reduces the oscillation tendency of the system consisting of the intermediate frequency amplifier and transistor driving oscillator. Two very simple aids can be used to reduce any tendency to oscillate that may still exist. The first is the interposition of an impedance converter, which is very easy and cheap to build with transistors.
The second is the dimensioning of the oscillator frequency so that it is not equal to the intermediate frequency but has a rational relationship to it.
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