DE1086300B - Schaltungsanordnung zur Frequenzteilung und -vervielfachung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen harmonischen Frequenzteiler, der eine Teilung von Frequenzen in einem vorgegebenen rationalen Verhältnis erlaubt und an dessen Eingang und Ausgang sinusförmige Spannungen auftreten.

Bekannte harmonische Frequenzteiler sind der mitgenommene Oszillator und der rückgekoppelte Modulator. Die prinzipielle Wirkungsweise beider Einrichtungen soll an Hand der Fig. 1 betrachtet werden, in der die einzelnen Teilvorgänge, wie Mischung, Verstärkung und Frequenz-Vervielfachung, getrennt dargestellt sind. Die Eingangsspannung mit der zu teilenden Frequenz nf wird in einem Modulator M mit der rückgeführten Spannung mit der Frequenz (n—I) f gemischt. Als Modulationsprodukt (Differenzfrequenz) entsteht unter anderem die durch η geteilte Frequenz f, die das Bandfilter B aussiebt. Die im Verstärker V verstärkte Spannung mit der Frequenz f wird dem Frequenzvervielfacher F zugeführt, der die Oberschwingung mit der Frequenz (n—l)f an den Modulator M zurückliefert.

Maßgebend für die Eigenschaften eines Frequenzteilers ist — wie im folgenden gezeigt wird — die sogenannte Schleifenverstärkung für die Grundschwingung mit der geteilten Frequenz f bei Abwesenheit der Eingangsspannung mit der zu teilenden Frequenz η f. Zur Defini- tion der Schleifenverstärkung denkt man sich den Rückkopplungskreis an irgendeiner Stelle aufgetrennt. Die Schleifenverstärkung ist dann das Verhältnis der Spannung am Ausgang dieser Trennstelle zur künstlich zugeführten Spannung am Eingang der Trennstelle.

Beim mitgezogenen Oszillator erfolgen Verstärkung, Mischung und Frequenzvervielfachung in der Oszillatorröhre selbst; maßgebend sind Steilheit und Krümmung der Röhrenkennlinie und die Lage des Arbeitspunktes. Der Mitzieheffekt beruht in erster Linie darauf, daß die zu teilende Eingangsfrequenz η f mit der Harmonischen («—l)f als Mischprodukt die Frequenz/" liefert (Oberwellen-Synchronisation). Der Rückkopplungskreis ist derart bemessen, daß die Schleifenverstärkung für die Grundfrequenz f bei Abwesenheit der Steuerspannung mit der Frequenz η f größer als 1 ist. Der mitgezogene Oszillator hat daher den Nachteil, daß er bei Abwesenheit der Steuerspannung in seiner Eigenfrequenz schwingt, die von der Sollfrequenz mehr oder weniger abweicht. Ein bekannter mitgezogener Oszillator enthält eine Elektronenröhre vom Typ Triode—Hexode, bei der im Triodensystem eine quarzstabilisierte Schwingung mit der Frequenz η f erzeugt wird. Zwischen dem ersten Gitter und den miteinander verbundenen Gittern 2 und 4 der Hexode liegt ein auf die geteilte Frequenz f ab- 5" gestimmter Resonanzkreis in Hartley-Schaltung. Die beiden Systeme sind durch Verbindung des Gitters der Triode und des dritten Gitters der Hexode miteinander gekoppelt. An einem im Anodenkreis der Hexode liegen-Schaltungsanordnung zur Frequenzteilung und -Vervielfachung

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Ing. Erhard Stelner, München,
ist als Erfinder genannt worden

den Resonanzkreis entsteht eine Schwingung mit der Frequenz m f, also einem Vielfachen der geteilten Frequenz f.

Der rückgekoppelte Modulator oder Rückmischteiler zeichnet sich durch besondere Stabilität aus. Mischung und Frequenzvervielfachung erfolgen bei bekannten Ausführungsformen getrennt, so daß sich am Ausgang des Frequenzvervielfachers F in Fig. 1 die für die Teilung besonders wichtige Frequenz (n—V) f aussieben und bevorzugt zum Modulator M zurückführen läßt. Beim idealen Rückmischteiler ist die Schleifenverstärkung für die Grundfrequenz f bei Abwesenheit der Frequenz η f gleich Null, da ja die Grundschwingung durch den Siebkreis am Ausgang des Frequenzvervielfachers F kurzgeschlossen wird. Der Teilungsvorgang wird daher bei Ausfall der steuernden Eingangsspannung mit der Frequenz nf sofort unterbrochen; es wird also keine falsche Frequenz abgegeben. Von Nachteil ist jedoch, daß beim Einschalten unter Umständen eine Hilfsspannung zugeführt werden muß, damit sich die Frequenzen f und (n—V) f erst einmal erregen können.

Es sind auch rückgekoppelte Modulatoren bekannt, bei denen Mischung und Frequenzvervielfachung in demselben Organ erfolgen. Bei einer bekannten Schaltungsanordnung wird die Schwingung mit der zu teilenden Frequenz»/" den Gittern zweier Elektronenröhren im Gleichtakt zugeführt. Die Anoden und Gitter der beiden Röhren sind wie beim Multivibrator über Kreuz miteinander verbunden; die. Kopplung ist so lose gewählt, daß keine Selbsterregung auftritt. Zwischen den Anoden

009 569/307

3 4

der beiden Röhren liegt ein auf die geteilte Frequenz f Fig. 2 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

abgestimmter Schwingkreis, so daß die beiden Röhren Fig. 3 die auftretenden Stromformen bei einem

in bezug auf die geteilte Frequenz f im Gegentakt Teilungsverhältnis η = 2,

arbeiten. Von Nachteil ist, daß mit dieser Anordnung Fig. 4 die auftretenden Stromformen bei einem

nur geradzahlige Teilungsverhältnisse erzielt werden 5 Teilungsverhältnis η = 3.

können. Außerdem ist keine Abstimmung des Ausgangs- Dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind zwei

Schwingkreises auf ein Vielfaches der geteilten Frequenz pnp-TransistorenTrl und Tr 2 zugrunde gelegt. Die

möglich. Eingangsspannung mit der Frequenz η f wird über einen

Auf einem anderen Prinzip beruhen Schaltungs- Eingangsübertrager Tl den beiden Mittelabgriffen der

anordnungen zur Frequenzvervielfachung. Es sind An- to Primär- und Sekundärwicklung eines Übertragers Γ2

Ordnungen mit zwei Röhren bekannt, die in bezug auf zugeführt. Zwei zum Mittelabgriff der Sekundärwicklung

die zu vervielfachende Frequenz im Gleichtakt und in des Übertragers Γ2 symmetrisch liegende Abgriffe sind

bezug auf die vervielfachte Frequenz im Gegentakt oder jeweils mit den Basiselektroden der beiden Transistoren

umgekehrt arbeiten. TrI und Tr2 verbunden, während die Enden der mit

Die Erfindung benutzt das Prinzip des rückgekoppelten 15 einem Widerstand R2 belasteten Primärwicklung über

Modulators. Es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, die Widerstände Rl bzw. R3 mit den Emitterelektroden der

bekannten Schaltungen zu vereinfachen und derart zu beiden Transistoren verbunden sind. Dadurch werden

verbessern, daß Frequenzteilung und -Vervielfachung in die steuernden Eingangsströme mit der Frequenz η f

1 ,· , tr ,..,. · in .. .. , . , den Transistoren TrI und Z>2 gleichphasig zugeführt:

einem vorgegebenen rationalen Verhältnis — möglich ist. , _f¥, , „„ . , ... ,. °, .. ^ ^B ,? , '

⁵⁶ η ⁶ 20 der Übertrager Γ2 ist fur diese Strome magnetisch un-

Die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist wirksam. Die beiden Transistoren arbeiten also in bezug

durch zwei Transistoren gekennzeichnet, zwischen deren auf die zu teilende Frequenz η f im Gleichtakt, in bezug

Basiselektroden ein auf die Frequenz abgestimmter, die auf die geteilte Frequenz f aber im Gegentakt.

Rückkopplung bewirkender Resonanzkreis angeordnet Die Sekundärwicklung des Übertragers Γ2 ist mit

ist, deren Emitter- und Basiselektroden die steuernden 25 Hilfe des Kondensators C auf die geteilte Frequenz /

Ströme mit der Frequenz η f gleichphasig und die abgestimmt und so gepolt, daß bei dieser Frequenz eine

Rückkopplungsströme mit der Frequenz f gegenphasig Mitkopplung entsteht. Parallel zum Kondensator C

zugeführt werden und deren Kollektoren die Ausgangs- liegen zwei in Reihe geschaltete, gegensinnig gepolte

ströme mit der Frequenz/" und deren Oberfrequenzen ZenerdiodenDl und D2, die zur Begrenzung dienen,

entnommen werden. 3° Die Stärke der Mittkopplung wird mit Hilfe der einen

Gemäß weiterer Erfindung ist der Rückkopplungsweg Ohmschen Spannungsteiler darstellenden Widerstände derart bemessen, daß bei Abwesenheit der steuernden Rl, R2, i?3 im Emitterkreis eingestellt; diese Wider-Eingangsspannung mit der Frequenz η f die Schleifen- stände bewirken eine Wechselstrom- und. Gleichstromverstärkung für die Grundfrequenz f zwischen 0 und 1, Gegenkopplung. Der parallel zur Primärwicklung des vorzugsweise bei 0,8 bis 0,9, liegt. Hierdurch ergibt sich 35 Rückkopplungsübertragers Γ2 liegende Widerstand R2 ein leichtes Anschwingen des Frequenzteilers; bei wird so klein gewählt, daß Exemplarstreuungen und zeit-Ausfall der steuernden Eingangsspannung wird jedoch liehe Änderungen des parallelliegenden, übersetzten der Teilungsvorgang sofort unterbrochen. Man hat also Verlustwiderstandes des Schwingkreises T2, C und des die Gewißheit, daß Eingangs- und Ausgangsfrequenz übersetzten Basis-Emitter-Eingangswiderstandes der stets synchronisiert sind. Bezüglich der Schleifenver- 40 Transistoren beim Anschwingen — wo die Begrenzung Stärkung liegt also der Frequenzteiler gemäß der Er- noch nicht wirksam ist — keinen Einfluß auf die Größe findung in der Mitte zwischen dem rückgekoppelten des Rückkopplungsfaktors haben. Der genaue Wert von Modulator und dem mitgenommenen Oszillator, bei R2 wird so gewählt, daß einerseits bei der zur Verdenen die Schleifenverstärkung 0 oder größer als 1 ist. fügung stehenden steuernden Eingangsspannung mit der

Durch die besondere Art der Gleichtaktschaltung in 45 Frequenz η f ein sicheres Anschwingen gewährleistet ist bezug auf die zu teilende Frequenz η f und der Gegen- und daß andererseits bei Ausfall der Eingangsspannung taktschaltung in bezug auf die geteilte Frequenz f hat der Frequenzteiler nicht weiterschwingen kann. Dies ist man den besonderen Vorteil, daß die zu teilende Fre- — wie schon erwähnt — dann der Fall, wenn die quenz η f und deren Oberfrequenzen im Gegentakt- Schleifenverstärkung für die Frequenz f bei Abwesenheit Ausgangsübertrager unterdrückt sind und daß im 50 der Eingangsspannung mit der Frequenz η f zwischen Eingangskreis die geteilte Frequenz f und deren Ober- 0 und 1, vorzugsweise bei 0,8 bis 0,9, liegt. Erst bei frequenzen nicht auftreten. Die Gegentaktschaltung Anwesenheit der Eingangsspannung erhöht sich enterlaubt ferner durch Bildung der Differenz und der sprechend der Mischsteilheit der Transistoren die Summe der Kollektorströme die getrennte Entnahme Schleifenverstärkung für die Frequenz f auf einen Wert einerseits der geteilten Frequenz f und ihrer ungerad- 55 größer als 1, da sich hierbei die sogenannte lineare zahligen Oberfrequenzen und andererseits ihrer gerad- Verstärkung um die Mischverstärkung erhöht,
zahligen Oberfrequenzen; d.h., es ist Frequenzteilung Die Begrenzung der Rückkopplungsspannung am und -Vervielfachung in einem vorgegebenen rationalen Schwingkreis T2, C bietet besondere Vorteile, die sich

Verhältnis-^entsprechend der Gleichung (nf) ^- = mf _K ^dur^ ^gxenzung.an anderer Stelle,;z B. am Ausgang η ^r ° ^v '' η ' σο nicht einstellen wurden. Zunächst wird vermieden, daß möglich {m und η ganze Zahlen). die Begrenzung durch Übersteuerung der Emitterstrom-Infolge der Gegentaktschaltung und der Rückkopplung Kollektorspannungs-Kennlinie erfolgt; es ergibt sich im Emitter-Basis-Kreis ist der Ausgangskreis vom dadurch eine sehr geringe Abhängigkeit der Ausgangs-Eingangs- und Rückkopplungskreis weitgehend ent- spannung von der Betriebsspannung und von Änderungen koppelt. Der Ausgang kann daher ohne weiteres auf ein 65 der Transistordaten, die z. B. als Folge von Temperatur-Vielfaches der geteilten Frequenz / abgestimmt werden, Schwankungen auftreten können. Außerdem wird verohne das Arbeiten des Frequenzteilers zu stören. mieden, daß sich die lineare Verstärkung für die Frequenzf . Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Fig. 2 im Verhältnis zur Mischverstärkung unzulässig erhöht; bis 4 an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Im dadurch würde nämlich die sichere Synchronisation der einzelnen zeigt 70 Eingangs- und Ausgangsfrequenz beeinträchtigt, die ja

auf dem Mitzieheffekt und damit auf einer möglichst großen Mischverstärkung beruht. Weiterhin läßt sich durch geeignete Wähl der Begrenzung der Rückkopplungsspannung mit der Frequenz f im Verhältnis zur Eingangsspannung mit der Frequenz η f für jedes gewünschte Teilungsverhältnis« ein optimaler Stromflußwinkel der Kollektorstromhalbwellen einstellen.

Bei den Zenerdioden wird zur Begrenzung der steile Kennlinienteil ausgenutzt, der sich an das Sperrspannungsgebiet anschließt. Anstatt dieser Dioden können in bekannter Weise auch Gleichrichter ohne »Zenereffekt« verwendet werden, jedoch ist für diese eine besondere Vorspannung notwendig.

Im Gegentakt-Ausgangsübertrager Γ3 wird die Differenz der Kollektorströme JcI und /c2 der beiden Transistoren TrI und 7>2 wirksam. Dadurch treten am Ausgang des Übertragers Γ3 nur die geteilte Frequenz f und deren ungeradzahlige Oberfrequenzen 3f, 5f usw. auf; allgemein ausgedrückt, ergeben sich Ausgangsfrequenzen der Form (2m—1)/⁷, wobei m eine ganze Zahl ist.

Im Ausgangsübertrager T4 wird die Summe der Kollektorströme /el und Jc2 der beiden Transistoren TrI und 7>2 wirksam. An seinem Ausgang erscheinen die geradzahligen Oberfrequenzen der geteilten Frequenz f, also 2f,4f usw., außerdem die zu teilende Frequenz η f und ihre Oberfrequenzen 2nf, Znf usw.; allgemein ausgedrückt, ergeben sich Ausgangsfrequenzen der Form 2m f und mn f, wobei m und das Teilungsverhältnis η ganze Zahlen sind.

Die Emittergleichströme werden den beiden pnp-Transistoren TrI und Tr2 über den Mittelabgriff der Primärwicklung des Rückkopplungsübertragers T2 vom positiven Pol -\-B der Gleichspannungsquelle zugeführt. Die Sekundärwicklung des Eingangsübertragers Π durchfließen daher nur die kleinen Basisströme, so daß eine kleine Eingangsleistung zur Aussteuerung der Transistoren genügt. Die Kollektorströme/el und Jc2 fließen über den Mittelabgriff der Primärwicklung des Gegentaktausgangsübertragers Γ3 und die Primärwicklung des Ausgangsübertragers T 4 zum negativen PoI-S der Gleichspannungsquelle zurück.

Bei den Transistoren TrI und 2>2 wird der Arbeitspunkt zweckmäßig in den Fußpunkt der Kollektorstrom-Emitter-Basisspannungs-Kennlinie gelegt, d. h., sie werden im B-Betrieb ausgesteuert; die Gleichstrom-Verlustleistung der Transistoren ist also gering. Wie schon erwähnt, benötigt der Frequenzteiler eine kleine Eingangsleistung, liefert aber eine große Ausgangsleistung; es ergibt sich also ein sehr guter Wirkungsgrad.

In den Fig. 3 und 4 sind der sinusförmige Eingangsstrom/l, die Kollektorströme /el und /c2 und die Ausgangsströme /el — /c2 und JcI + Jc2 dargestellt, und zwar bei einem Teilungsverhältnis η = 2 (Fig. 3) und η = 3 (Fig. 4). Die Kollektor-Stromhalbwellen/el und /c2 mit der Frequenz η f sind gleichphasig; ihr Stromflußwinkel ist kleiner als 90°, er wird mit wachsendem Teilungsverhältnis kleiner. Die annähernd sinusförmigen Umhüllenden der Kollektorströme /el und /c2 mit der Frequenz f sind gegenphasig. Die Strombilder lassen die Entstehung der Frequenzen (2m—1) f im Differenzstrom /el — /c2 und der Frequenzen 2m f und mn f im Summenstrom /el -f- /c2 deutlich erkennen.

An die Stellen der Transistoren können auch Röhren oder andere steuerbare Widerstände treten. Bei Verwendung von Röhren entspricht z. B. dem Emitter die Kathode, der Basis das Steuergitter und dem Kollektor die Anode.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Frequenzteilung und -Vervielfachung in einem vorgegebenen rationalen Verhältnis unter Verwendung eines rückgekoppelten Modulators, in dem die Differenz aus der zu teilenden Frequenz η f und der Harmonischen (n — 1) f der geteilten Frequenz f gebildet wird, gekennzeichnet durch zwei Transistoren (TrI, 7>2), zwischen deren Basiselektroden ein auf die Frequenz f abgestimmter, die Rückkopplung bewirkender Resonanzkreis angeordnet ist, deren Emitter- und Basiselektroden die steuernden Ströme mit der Frequenz η f gleichphasig und die Rückkopplungsströme mit der Frequenz f gegenphasig zugeführt werden und deren Kollektoren die Ausgangsströme mit der Frequenz f und deren Oberfrequenzen entnommen werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Resonanzkreis ein auf die Frequenz f abgestimmter, die Rückkopplung bewirkender Übertrager (Γ2) verwendet ist, daß zwei zum Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Übertragers (Γ2) symmetrisch liegende Abgriffe jeweils mit den Basiselektroden der beiden Transistoren (TrI bzw. Tr2) verbunden sind, daß die in der Frequenz nf zu teilende Spannung über einen Eingangsübertrager (Tl) an die Mittelabgriffe der Primär- und Sekundärwicklung des Übertragers (T2) gelegt ist und daß die Enden der mit einem Widerstand (R2) belasteten Primärwicklung des Übertragers (T2) jeweils über einen Widerstand (Rl bzw. i?3) mit den Emitterelektroden der beiden Transistoren (TrI bzw. Tr2) verbunden sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Übertrager(Γ2) vorzugsweise durch zwei in Reihe geschaltete, gegensinnig gepolte Zenerdioden begrenzt wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme mit der Frequenz f und deren ungeradzahligen Oberfrequenzen durch Bildung der Differenz der Kollektorströme der beiden Transistoren (TrI und Tr2) mit Hilfe eines Gegentaktübertragers (T3) gewonnen sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme mit den geradzahligen Oberfrequenzen der Frequenz f durch Bildung der Summe der Kollektorströme der beiden Transistoren (TrI und 7>2) mit Hilfe eines Übertragers (Γ4) gewonnen sind.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei beiden Transistoren (TrI und Tr2) der Arbeitspunkt vorzugsweise im Fußpunkt der Kollektorstrom-Emitter-Basisspannungs-Kennlinie liegt.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Mitkopplung, daß bei Abwesenheit der Spannung mit der Frequenz nf die Schleifenverstärkung für die Frequenz f zwischen 0 und 1, vorzugsweise bei 0,8 bis 0,9, liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 523 192;
österreichische Patentschrift Nr. 121 673;
französische Patentschrift Nr. 952 359;
britische Patentschrift Nr. 474388;
USA.-Patentschrift Nr. 2 512 729.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©1 009 569/307 7.60