DE1250866B - Schaltungsanordnung zum Erzeugen frequenzmodulierter Rechteckschwingungen für hohe Frequenzen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/06 J

Nummer: 1 250 866

Aktenzeichen: T 31296 VIII a/21 al

Anmeldetag: 4. Juni 1966

Auslegetag: 28. September 1967

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen frequenzmodulierter Rechteckschwingungen mit Hilfe einer astabilen Kippschaltung mit zwei Transistoren, deren Emitter durch einen Kondensator verbunden sind, dessen Auf- und Entladezeit durch eine an die Emittervorwiderstände angelegte modulierende Spannung gesteuert wird und damit eine Frequenzänderung hervorruft.

Wesentlich für die Anwendung einer solchen Anordnung, z. B. als Modulator in Richtfunkgeräten, insbesondere in solchen für die Übertragung eines breiten Basisbandes, ist eine sehr lineare Modulationskennlinie. Zu beachten sind ferner die Umklappzeiten der Verstärkerelemente, die insbesondere bei höheren Frequenzen der erzeugten Rechteckschwingungen Modulationsverzerrungen verursachen.

Eine bekanntgewordene Schaltungsanordnung zum Erzeugen frequenzmodulierter Schwingungen geht aus von einer astabilen Kippschaltung (deutsche Patentschrift 1171001). Dabei wird die Modulationsgröße von einer Quelle mit hoher Innenimpedanz geliefert, deren Strom über zwei mit den frequenzbestimmenden Kondensatoren verbundene und von der Ausgangsspannung der Kippschaltung wechselweise geöffnete Gleichrichter geführt wird, die den Ladestrom dieser Kondensatoren bestimmen. Bei dieser Vorrichtung treten infolge der Umklappzeiten der Ver-Stärkerelemente Modulationsverzerrungen auf.

Ferner ist eine Schaltung bekannt, die von einer emittergekoppelten astabilen Kippschaltung ausgeht und bei der ebenfalls die Modulationsgröße aus einer Quelle mit hoher Impedanz die Aufladezeit des frequenzbestimmenden Kondensators steuert (Alta Frequenza, english issue, Vol. XXXIV, Nr. 8, Agosto 1965). Die Entladung dieses Kondensators erfolgt über einen Widerstand, d. h., die Entladezeit ist konstant. Die Modulationsverzerrungen, die dabei sowohl dadurch, daß nur die Aufladezeit des frequenzbestimmenden Kondensators verändert wird, dessen Entladezeit jedoch konstant bleibt, das Tastverhältnis also ungleich ist, als auch durch die Umklappzeit der Verstärkerelemente entstehen, werden durch 'ein Linearisierungsnetzwerk, bestehend aus einer Diode, einer Spule und einem Kondensator, im Kollektorkreis eines der beiden Transistoren korrigiert. Durch das unterschiedliche Tastverhältnis ergibt sich darüber hinaus jedoch auch noch eine ungleichmäßige, das bedeutet zusätzlich und unerwünscht in der Amplitude modulierte Ausgangsspannung (Grundwelle). Die Schaltungsanordnung bedingt außerdem ein weiteres Verstärkerelement.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen
frequenzmodulierter Rechteckschwingungen für
hohe Frequenzen

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Klaus Krull,

Dipl.-Ing. Rudolf Rudioff, Backnang (Württ.) - -

Schaltungsanordnung zum Erzeugen frequenzmodulierter Rechteckschwingungen zu schaffen, die gegenüber den bekanntgewordenen Schaltungsanordnungen eine reine, amplitudenmodulationsfreie Frequenzmodulation mit linearer Mödülationskennlinie und demnach mit sehr geringen Modulationsverzerrungen liefert. Diese Aufgabe wird bei Verwendung einer astabilen Kippschaltung mit zwei Transistoren, deren Emitter durch einen Kondensator verbünden sind, und wobei die modulierende Größe zwischen Bezugspotential und den miteinander verbundenen emitterabgewandten Enden der Emittervorwiderstände angelegt wird, erfindungsemäß dadurch gelöst, daß zum Begrenzen der Ladung des frequeiizbestimmenden Kondensators an den Kollektor des Transistors, der mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors verbunden ist über eine Diode eine zusätzliche Begrenzerspannung gelegt wird, deren Größe abhängig von der Modulationsspannung geändert wird. /

Eine monostabile Kippschaltung mit einer von außen zugeführten veränderbaren Begrenzerspannung ist auch durch die deutsche Auslegeschrift 1208 339 bekanntgeworden. Bei der bekannten Schaltung handelt es sich um eine als Impulswandler wirkende mönostabile Kippschaltung, dein eine von einem getrennten Generator erzeugte Impulsfolge zugeführt wird, und der je nach Größe der als Begrenzerspannung wirkenden zugeführten Steuerspannung eine Impulsfolge konstanter Impulsfolgefrequenz mit gesteuertem, veränderbarem Tastverhältnis abgibt. Würde dieser bekannten Schaltung als Steuerspannung eine Modulationswechselspannung zugeführt, so wäre das Ergebnis eine puls-dauer-modulierte Im-

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pulsfolge. Diese Möglichkeit ist jedoch in der deutschen Auslegeschrift 1208 339 nicht genannt. Dagegen erzeugt die astabile Kippschaltung nach der vorliegenden Anmeldung eine Impulsfolge mit dem Tastverhältnis 1:1 mit vom Augenblickswert der Modulationsspannung abhängiger Impulsfolgefrequenz.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierzu zeigt

F i g. 1 eine bekannte emittergekoppelte astabile Kippschaltung zur Erklärung der Wirkungsweise,

F i g. 2 das Spannungszeitdiagramm zur Erläuterung in Verbindung mit F i g. 1,

F i g. 3 eingehend eine ausgeführte Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung als Beispiel, F i g. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel,

F i g. 5 und 6 Abwandlungen der Anordnungen nach F i g. 3 bzw. 4.

Fig. 1 zeigt eine astabile Kippschaltung eines im Grundsatz bekannten Typs mit zwei Transistoren 1 und 2, an deren Emitter der frequenzbestimmende Teil der Anordnung liegt, bestehend aus den Emittervorwiderständen 3 und 4, an deren zweitem Anschluß die Modulationsspannung Umod liegt, und dem Kondensator 5, der die Emitter der Transistoren 1 und 2 verbindet. Die Widerstände 6 und 7 liegen zwischen den Kollektoren der Transistoren 1 bzw. 2 und der Speisespannung Ub. Die Steuerelektrode des Transistors 1 liegt am Abgriff eines Spannungsteilers über der Speisespannung. Dieser Spannungsteiler besteht aus einer Reihenschaltung einer Zenerdiode 14 mit einem dazu parallelgeschalteten Kondensator 15 und eines Widerstandes 13. Die Steuerelektrode des Transistors 2 liegt am Abgriff eines zweiten Spannungsteilers zwischen dem Kollektor des Transistors 1 und der Masse. Auch dieser Spannungsteiler besteht aus einer Zenerdiode 10 und dem dazu parallelgeschalteten Kondensator 11 und in Reihe dazu dem Widerstand 12.

Zur Beschreibung der Wirkungsweise sei angenommen, daß der Kondensator 5 aus dem vorhergehenden Zeitabschnitt eine gewisse Ladung habe und daß der Transistor 1 leitend und der Transistor 2 gesperrt ist (tO in Fig. 2). Damit beginnt eine Umladung des Kondensators 5 durch die Speisespannung, einerseits über den Widerstand 4, andererseits über den Transistor 1 und dessen Lastwiderstand 6. Die Spannung am Kondensator S ändert sich zwar nach einer e-Funktion, jedoch im betrachteten und ausgenutzten sehr kleinen Abschnitt ausreichend linear (F i g. 2). Nach einer Zeit /1 und einer dabei erreichten Spannungsänderung AUc am Kondensators und damit auch am Emitter des Transistors 2 wird dieser leitend. Während eines sehr kleinen Zeitabschnittes sind beide Transistoren leitend, und das Umladen des Kondensators 5 ist beendet, d. h., der Ladestrom wird Null und der Emitterstrom des Transistors 1 kleiner. Damit verringert sich der Spannungsabfall am Widerstand 6. Dieser Spannungsanstieg am Kollektor des Transistors 1 wirkt über die Zenerdiode 10 mit dem Kondensator 11, den Transistor 2 und den Kondensator 5 auf den Emitter des Transistors 1, so daß dieser sperrt. Mit dem Leitendwerden des Transistors 2 und dem Sperren des Transistors 1 beginnt ein neuer Umladevorgang für den Kondensator S, nun über den Widerstand 5, den Transistor 2 und den Widerstand 7. Nachdem die Spannung am Kondensator 5 sich um den Wert A Uc geändert hat, wird wiederum der Transistor 1 leitend. Die hierfür notwendige Zeit ist in Fig. 2 mit ti bezeichnet. Mit dem Öffnen des Transistors 1 wird der Spannungsabfall am Widerstand 6 größer, das Potential zwischen dem Widerstand 6 und dem Kollektor des Transistors 1 kleiner und damit über die Diode 10 und den Kondensator 11 auch die Spannung an der Steuerelektrode des Transistors 2, so daß dieser sperrt.

Die von der Kippschaltung erzeugte Frequenz / ist, vorausgesetzt, daß die beiden Emittervorwiderstände

ίο gleich groß sind, daß die Größe der Spannungsänderung A Uc klein ist gegenüber dem Spannungsabfall an diesen Widerständen und daß damit die Änderung der Spannung am Kondensator 5 während des Umladens annähernd zeitlinear verläuft,

f =

tl+t2 2C(AUc)

(1)

worin /der Ström über die Widerstandes bzw. 4, C die Größe des Kondensators 5 und Δ Uc die absolute Spannungsänderung am Kondensators ist. Die Spannung A Uc steht in einem festen Verhältnis zur Spannungsänderung A U am Kollektor des Transistors 1.

Erzwingt man nun eine konstante Spannungsänderung A U durch eine Begrenzerschaltung, bestehend aus einer Diode 8 in Verbindung mit einer Hilfsspannungsquelle 9, wie in Fig. 1 gestrichelt gezeichnet, so ist bei einem gegebenen Wert des Konden- sators 5 die Kippfrequenz / der astabilen Kippschaltung proportional dem Strom/ und dessen Änderungen. Durch Anlegen einer Modulationsspannung Umod kann der Strom/ im Takt der Modulationsfrequenz geändert werden, und man erhält am Ausgang Ua eine frequenzmodulierte Rechteckschwingung.

Die Anordnung nach Fig. 1 ist nicht frei von Modulationsverzerrungen, verursacht durch die endliche Umklappzeit der Verstärkerstufen und durch den Speichereffekt der Begrenzerdiode. Werden diese zeitlichen Einflüsse zusammengefaßt, als ts bezeichnet und die Gleichung (1) entsprechend ergänzt, so lautet die Gleichung

2C(AU) +ts I

Die gewünschte lineare Abhängigkeit der Frequenz von / bedingt eine konstante Größe des Nenners in Gleichung (2), d.h. es muß sein: AU= f (I) oder, da / = flUmod) ist, auch AU = f (Umod).

Eine Möglichkeit der technischen Verwirklichung dieser Forderung und zugleich Teil der Erfindung zeigt Fig. 3. Die Begrenzerspannung entsteht als Spannungsabfall am Widerstand 22 infolge eines Stromes, der durch den Transistor 19 von der Modulationsspannung Umod über den Kondensator 18 gesteuert wird. Durch die Widerstände 16 und 17 des Basisspannungsteilers und den Emittervorwiderstand 20 kann der Arbeitspnnkt des Transistors 19 eingestellt werden. Damit wird, abhängig von der Modulationsspannung, der Strom über den Widerstand 22 gesteuert und eine Änderung von A U bewirkt, deren Steilheit durch den Wert des Widerstandes 20 bestimmt ist.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit zeigt Fig. 4. Hier wird am Abgriff eines über der Speisespannung Ub des Multivibrators liegenden Spannungsteilers,

bestehend aus den Widerstanden 23 und 24 eine feste Begrenzergrundspannüng gewonnen und über die Diode 25 an den Kollektor des Transistors 27 gelegt. Über einen zweiten Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 29 im Kollektorkreis des Transistors 27, der Zenerdiode 30 zwischen dem Kollektor des Transistors 27 und der Steuerelektrode des Transistors 28 und dem Basisvorwiderstand 26 des Transistors 28, der über der Reihenschaltung der Speise- und der Modulationsspannung liegt und dessen Abgriff zwischen dem Widerstand 29 und der Zenerdiode 30 ebenfalls am Kollektor des Transistors 27 liegt, fließt ein von der Modulationsspannung Umod abhängiger Strom. Damit liegt am Kollektor des Transistors 27 eine resultierende Begrenzerspannung AU, deren Größe von der Modulationsspannüng abhängt. Die Steilheit der Änderung der Begrenzerspannung Δ U kann durch geeignetes Έεηιεββεη der Widerstände des zweiten Spannungsteilers, z.B. durch die Größe des Widerstandes 26, festgelegt werden.

Weitere Ausführungsmöglichkeiten von Schaltungen gemäß der Erfindung sind in Fig. 5 und 6 gezeigt.

Die Anordnung nach Fig. 5 ist eine Erweiterung der in F i g. 3 gezeigten Schaltung, Hierbei ist zusätzlich die Steuerelektrode des Transistors 31 über eine Zenerdiode 32 mit dazu parallelgeschaltetem Kondensator 33 mit dem Kollektor des Transistors 34 gekoppelt. Die nun auch am Kollektor dieses Transistors erforderliche Begrenzerspannung kann gemeinsam mit der Begrenzerspannung für den Kollektor des Transistors 31 als Spannungsabfall am Widerstand 41 gewonnen werden, infolge des durch den Transistor 42 von der Modulationsspannung Umod gesteuerten Stromes. Die Kollektoren der Transistoren 31 und 34 werden durch die Dioden 35 und 44 entkoppelt.

F i g. 6 zeigt eine in entsprechender Weise aus Fig. 4 abgewandelte Anordnung. Auch hier ist zusätzlich die Steuerelektrode des Transistors 36 über eine Zenerdiode 37 mit dazu parallelgeschaltetem Kondensator 38 mit dem Kollektor des Transistors 39 gekoppelt. Die Kollektoren beider Transistoren 36 und 39 erhalten eine Begrenzergrundspannung aus einem festen und an konstanter Spannung liegenden Spannungsteiler 45, 46, wie für F i g. 4 beschrieben. Zur Entkopplung der beiden Kollektoren enthält die Schaltung die Dioden 40 und 47. Die veränderliche Begrenzerspannung wird hier für die Kollektoren beider Transistoren getrennt erzeugt, wie sinngemäß ebenfalls schon für Fig. 4 beschrieben.

Eine weitere Verkleinerung der Modulationsverzerrungen kann, wie bekannt, durch steuerbare Konstantstromquellen in den Emitterkreisen erreicht werden, z. B. durch das Einfügen von durch die jModulationsspannung gesteuerten Transistoren an Stelle der Emittervorwiderstände.

Gegenüber bekanntgewordenen Schaltungen weisen die Anordnungen gemäß der Erfindung noch weitere Vorteile auf; die erzeugte Impulsfolge hat ein Tastverhältnis von 1:1, d. h., die zweite Harmonische der gewünschten Grundwelle hat etwa die Größe Null. Für das Aussieben der Grundwelle können daher einfachere Filter verwendet werden. Weiterhin enthalten die Anordnungen keine Induktivitäten. Sie haben daher auch Vorteile für den mechanischen Aufbau, insbesondere sind sie geeignet für integrierte Schaltungen.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen frequenzmoduiierter Rechteckschwingungen, bestehend aus einer astabilen Kippschaltung mit ' zwei Transistoren, deren Emitter durch einen Kondensator verbunden sind, und der die Modulationsspannung zwischen dem Bezugspotential und den miteinander verbundenen, emitterabjgewandten Enden der Emittervorwiderstände der zwei Transistoren zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Begrenzen der Ladung des. frequenzbestimmenden Kondensators zwischen den Emittern der zwei Transistoren an den Kollektor des Transistors, der mit der Steuerelektrode des zweiten Transistors verbunden ist, in an sich bekannter Weise über eine Diode eine zusätzliche Begrenzerspannung gelegt wird, wobei die Begrenzerspannung in Abhängigkeit von der Modulationsspannung verändert wird.

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren beider Transistoren in an sich bekannter Weise jeweils mit der Steuerelektrode des anderen Transistors^ gekoppelt sind und daß an die Kollektoren beider Transistoren eine in ihrer Größe von der Modulationsspannung abhängige Begrenzerspannung gelegt ist.

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die veränderliche Begrenzerspannung an einem Widerstand (22) dadurch "abfällt, daß der durch diesen Widerstand fließende. Strom durch die Modulationsspannung mit Hilfe eines weiteren Transistors (19) gesteuert wird, wobei durch geeignetes Bemessen der mit diesem Transistor wirksamen Widerstände, insbesondere des Emittervorwiderstandes (20), die Steilheit der Änderung der Begrenzerspannung eingestellt werden kann (F i g. 3).

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerspannung an einem festen Spannungsteiler (23, 24), der an konstanter Spannung liegt, und an einem zweiten Spannungsteiler, der aus Teilen der astabilen Kippschaltung (29, 30, 26) bestehen kann, dessen Querstrom von der modulierenden Größe bestimmt wird und dessen Abgriff mit dem Abgriff des ersten Spannungsteilers durch eine Diode (25) gekoppelt ist, abgenommen wird, wobei durch die Bemessung der Widerstände des zweiten Spannungsteilers, insbesondere des Basisvorwiderstandes (26) die Steilheit der Änderung der Begrenzerspannung eingestellt werden kann (Fig. 4).

   5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen! und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine für beide Transistoren gemeinsame veränderliche Begrenzerspannung an einem Widerstand (41) dadurch abfällt, daß der durch diesen Widerstand fließende Strom durch die Modulationsspannung mit Hilfe eines Transistors (42) gesteuert wird, wobei durch geeignetes Bemessen der in Verbindung mit diesem Transistor wirksamen Widerstände, insbesondere des Emittervorwiderstandes (43), die Steilheit der Änderung "der Begrenzerspannung eingestellt werden kann, und worin die Kollektoren der zwei Transistoren (31, .34) der astabilen Kippschaltung durch je eine Diode (35,

   44) zur gemeinsamen Begrenzerspannungsquelle gegeneinander entkoppelt sind (F i g. 5).

   6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine feste Begrenzergrundspannung gemeinsam für die KoI-lektoren beider Transistoren (36, 39) der astabilen Kippschaltung abgenommen wird an einem festen Spannungsteiler (45, 46), der an einer festen Spannung liegt, worin die Kollektoren der zwei Transistoren durch je eine Diode (40,47) zur gemeinsamen Begrenzerspannungsquelle gegeneinander entkoppelt sind, während eine veränderliche Begrenzerspannung, getrennt für die KoI-

   lektoren der beiden Transistoren, abgenommen wird an einem zweiten und dritten Spannungsteiler, die aus Teilen der astabilen Kippschaltung bestehen können, deren Querstrom von der Modulationsspannung bestimmt wird, wobei durch die Bemessung der Widerstände des zweiten und dritten Spannungsteilers, insbesondere der Basisvorwiderstände (48, 49), die Steilheit der Änderung der Begrenzerspannung eingestellt werden kann (Fig. 6).

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 208 339.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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