DE1274680B - Multiplikativer Modulator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H 03 c

Deutsche KL: 21 a4 -14/01

Nummer: 1 274 680

Aktenzeichen: P 12 74 680.4-35 (S 102334)

Anmeldetag: 3. März 1966

Auslegetag: 8. August 1968

Multiplikativer Modulator

Die Erfindung betrifft einen multiplikativen Modulator mit einer Signalquelle, die ein erstes Signal liefert, und einer Signalquelle, die ein zweites Signal liefert, die mit einem Gegentaktmodulator verbunden sind, der vier Transistoren enthält.

Diese multiplikativen Modulatoren werden z. B. in Wechselstromsteuergeriiten verwendet, mit denen mechanische Größen, wie der Drehwinkel oder die Drehzahl einer Welle, gesteuert werden.

Bei vielen Ausführungen multiplikativer Modulatoren treten Schwierigkeiten dadurch auf, daß in ihren Ausgangssignalen Harmonische (Oberwellen) des Trägers enthalten sind. Wenn beispielsweise ein multiplikativer Modulator zum Nachbilden des Ausgangssignals eines Tachometers oder eines Synchrogenerators verwendet wird, sind Oberwellen des Trägers im Modulatorausgangssignal unerwünscht, da sie zu Fehlern führen.

Es ist bekannt, in multiplikativen Modulatoren nichtlineare Bauelemente zu verwenden, z. B. vier Transistoren, wie es in der deutschen Patentschrift 967 946 beschrieben ist. Die sich bei Verwendung nichtlinearer Bauelemente ergebenden Schwierigkeiten sind in dieser Patentschrift angegeben, und außerdem sind auch Maßnahmen zur Verbesserung der Linearität beschrieben. Diese Maßnahmen sind jedoch nicht ausreichend, um die Nichtlinearität weitgehend zu beseitigen, und dies ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe.

Die Erfindung geht aus von einem Modulator, bei dem die nichtlinearen Kennlinien von Transistoren zur multiplikativen Modulation herangezogen werden. Die Erfindung basiert dabei auf folgenden Erkenntnissen :

Im Aussteuerbereich eines Transistors gilt folgende Beziehung zwischen der Basisspannung V_n und dem zugehörigen Kollektorstrom I_c

V_n = Zc₁T log I_c~k₂T

U)

Darin sind T die absolute Temperatur des Transistors und Zc₁, k₂ und k₃ Faktoren, die von den Materialien des Transistors abhängen. Für Transistoren, die aus gleichen Materialien hergestellt sind und mit einer Stromdichte gleicher Größenordnung betrieben werden, ist der Faktor /(, ungefähr konstant. Transistorcn mit weitgehend gleichem Faktor k₂ und — im geringeren Grade — gleichen Faktor k₃ sind erhältlich. Kleine Unterschiede in den Werten von k₃ zweier Transistoren, bei denen Zc₁ und k₂ gleich sind, können korrigiert werden. Mithin ist es möglich, zwei weitgehend gleiche Transistoren so zu einer symmetrischen Stromübernahineschaltung (auch emitter-Anmelder:

The Solartron Electronic Group Limited,

Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Vertreter:

Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Parkstr. 13

Als Erfinder benannt:

Anthony John Ley,

Farnborough, Hampshire (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 11. März 1965 (10 420)

gekoppelte Gegentaktstufe genannt) zu verbinden, daß die Beziehung

V'b = K₁TdOg/;-log/,")

gilt. Darin sind V_n und l'_c die Basisspannung und der Kollektorstrom des einen Transistors, V₈" und V₁! die Basisspannung und der Kollektorstrom des anderen Transistors, Zc₁ eine den beiden Transistoren gemeinsame Konstante und T die absolute Temperatur der Transistoren. Die Erfindung beruht auf der Verwirklichung der Tatsache, daß es möglich ist, aus einer Schaltung mit zwei derartigen Stromübernahmeschaltungen einen Ausgangsstrom zu erhalten, der proportional dem Produkt zweier Eingangsströme ist und nur vernachlässigbare Harmonische der Trägerfrequenz enthält.

Die Erfindung zeichnet sich daher dadurch aus, daß die vier Transistoren zu zwei Stromübernahmeschaitungen paarweise verbunden sind, in denen die Beziehung

Vk- Vk' = Zc₁TIlOg/;-log/;')

für jede dieser Stromübernahmeschaltungen gilt und der Wert von Zc₁ für alle vier Transistoren gleich ist, wobei Vg und /; die Basisspannung und der Kollektorstrom des einen Transistors, V_n und /" die Basisspannung und der Kollektorstrom des anderen Transistors, /ν; eine Transistor-Materialkonstante und T die absolute Temperatur ist, daß das erste Signal den Emittern der beiden Transistoren des einen Paares über eine Schaltung und den Emit lern der

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beiden anderen Transistoren über eine andere Schaltung gegenphasig zugeführt wird, daß das zweite Signal den Basen zweier nicht zu einem Paar gehöriger Transistoren über Anschlüsse und de» Basen der beiden übrigen Transistoren über andere Anschlüsse s gegenphasig zugeführt wird und d;iß die Kollekloien je eines Transistors der beiden Paare mit einem gemeinsamen Ausgangskieis \erblinden sind und beiden das zweite Signal gegenphasig /li^-füh;! ;-■!.

Die Erfindung wird nun auch an Hand eines in den _w Abbildungen dar^.-stellten Ausführungsbeispiels beschrieben. wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können.

F i g. 1 ist ein Schallbild der Grundschaltung eines multiplikaliven Modulators, der mit einem Funktions-Verstärker und einem Koppelkondensator verbunden ist;

Fig. 2 ist ein Schallbild einer Ausführung der Erfindung;

F i g. 3 ist ein schematisches Sehaltbild einer Trägereingangsschaltung, mit der in der F i g. 2 gezeigten Ausführung ein zweites Signal zugeführt werden kann.

Die vier in Fig. 1 gezeigten Transistoren 11. 12, 13 und 14 sind zu zwei Stromübernahmeschaltungen paarweise verbunden, wobei der Kollektor des einen Transistors jedes Paares über eine gemeinsame Ausgangsleitung 18 mit einem Funktionsverstärker 19 (auch Rechen- oder Operationsverstärker genannt) verbunden ist.

Ein zweites Signal in Form einer Trägerschwingung mit dem Augenblickswert .v wird den Basen der Transistoren durch Trägereingangsschaltungen 21, 22, 23 und 24 zugeführt. Ein erstes Signal in Form einer Datensignalspannung (Modulationssignal), das die Drehzahl oder Winkelstellung einer Welle darstellt. wird durch Datensignaleingangsschaltungen 25, 26 über Widerstände 27. 28 den Emittern der Transistoren 11. 12. 13 und 14 zugeführt. Die Emitter der Transistoren 11. 12, 13 und 14 sind auch über Widerstände 29 und 30 mit dem negativen Pol einer Gleichspannung verbunden.

Die Umgebungstemperatur aller vier Transistoren ist vorzugsweise die gleiche für alle vier Transistoren und so groß, daß für je,de Stromübernahmeschaltung die Differenz zwischen den Basisspannungen gleich

ist, wobei A-, für alle vier Transistoren gleich ist. Die Basen der Transistoren 11 und 12 werden gegenphasig angesteuert, und zwar durch die Trägerschwingung. so daß gilt:

Datensignalspannung erzeugten Stroms. Infolgedessen gilt die Beziehung

_{a + γ} / χ \

—jrf-= 1 ^{+ ex}P \T~t~) ' ^'

Am Widerstand 28 steht die Datensignalspannung mil umgekehrten Vorzeichen an. so daß für die Tran-i-i ■'!■.■!! 13 und 14 dk IkviehiinL» gilt:

Mit Z₁' al.. ^Λ n^aiig^sfroiii jeder Stromüfr-rn;!':-:-:--- schaumig ergibt sic!? .-N nesamtausganjis υν-ηί i,, in der AusgangsleiUing IS:

/_{() =} JJL ⁺ -V ₍ ¹LlLA

1 1 cxn

\^k\TJ

1 + exn

— Cl I ldllll —

2x

Durch Reihenentwicklung von

2.v

erhält man

ⁱ^^a-({)ⁱiw) ⁺ (-^)^y{w)ⁱ

Wenn die Trägerschwingung sinusförmig ist und eine Kreisfrequenz vom Betrage \v hat. ergibt sieh aus dem Ausdruck

indem man für .v = .Y_n cos \vf setzt, daß eine dritte Harmonische im Verhältnis von

1
TüTy Kk₁T

— ι τι] ν — l i"\ ¹ ' ^g' ioyi_c)

55

Auch den Basen der Transistoren 13 und 14 wird die Trägerschwingung gegenphasig zugeführt. Derjenigen Paarschaltung, die die Transistoren 13 und 14 enthält, wird die Trägerschwingung in der einen Phasenlage der anderen Stromübernahmeschaltung gegenphasig zugeführt.

Die Datensignalspannung wird den Transistoren 11 und 12 so zugeführt, daß gilt:

^zur Grundschwingung vorhanden ist. Für einen Siliziumtransistor bei Zimmertemperatur liegt der Wert von Zc₁ T jedoch ungefähr bei 25 mV; deshalb ist. vorausgesetzt, daß x₀ ungefähr auf 10 mV gehalten wird, die dritte Harmonische vernachlässigbar, während höhere Harmonische praktisch nicht auftreten. E'ⁿ mit dem Funktionsverstärker 19 in Reihe geschalteter Koppelkondensator 31 blockiert den Gleichstromanteil a, so daß sich der Effektivwert / des Ausgangsstroms zu

— - l — \
V-/

_vx £'

_
-α

(4)

₆₅

Darin ist α der Betrag des zum negativen, mit dem Widerstand 29 verbundenen Pols der Gleichspannung fließenden Stroms und y der Betrag des von der ergibt.

Eine Korrektur erster Ordnung der reziproken Abhängigkeit des effektiven Ausgangsstroms von der absoluten Temperatur der Transistoren 11. 12. 13 _{und 14 kann} J^₁Ji-Ci₁ erreicht werden, daß Widerstände mit negativem Widerstandskoeffizienten in Reihe mit Eingangsschaltungen für die Trägerschwingung geschaltet werden. Als Alternative kann auch ein

Widerstand 32 mit positivem Widerstandskoeffizienten parallel zum Funktionsverstärker 19 geschaltet werden.

Nun zu F i g. 2. in der ein Schaltbild einer Ausführung der Erfindung gezeigt ist.

Vier gleiche Transistoren II. 12. 13. 14 sind je /u zwei Stroniühernahmeschaltungen verbunden. Wi. Vistiindc IS. 47. 48 und 17 mit je zehn KiMi ihm M¹ItI mit ιΙ',ί; Knlickioren -.!ei Transistoren II. 12. P>h d F wi humic:). Fine gemeinsame AiisganusleiUing IK \ci- ·,.-, bindet die Widerstünde 47 und 48 mil einem Funklions\ersi;irker. der iiiclil gezeigl ist. Die Widerstände 15 und 17 und ein Widerstand 16 sind direkt miteinander verbunden und liegen an +24 Voll.

Die limitier der Transistoren 13 und 14 sind ebenfalls direkt miteinander und mit dem Verbindungspunki zweier Widerstände 28 und 30 zu je 240 kOhm verbunden. Die Emitter der Transistoren 11 und 12 sind direkt miteinander und dem Verbindungspunkt zweier Widerstände 27 und 29 verbunden. Die Widerstände 27 und 29 sind einstellbar und haben jeweils einen Maximalwiderstand von 240 kOhm. Die Widerstände 29 und 30 liegen an —24 Volt.

Die vergleichbaren Größen der Widerstände 28 und 30 und die kleinen Spannungsauslenkungen, die den Basen und Emittern 13 und 14 zugeführt werden, bewirken, daß die Slromübernahmeschaltung praktisch mit konstantem Strom gespeist wird. In ähnlicher Weise wird auch das Transistorenpaar 11 und 12 praktisch mit konstantem Strom gespeist.

Den Basen der Transistoren 11 und 12 wird über die Anschlüsse 49 und 50 eine Trägersehwingung im Gegentakt bzw. gegenphasig zugeführt und mit umgekehrten Vorzeichen über die Anschlüsse 51 und 52 den Basen der Transistoren 13 und 14. Dazu kann eine Anordnung verwendet werden, wie sie in F i g. 3 gezeigt ist, bei der die Trägersehwingung zwischen den Anschlüssen 53 und 54, 55 oder 56 eingespeist wird. Die Vorzeichenumkehr erfolgt dadurch, daß ein Anschluß Λ der Trägereingangsschaltung mit den Anschlüssen 49 und 51 und ein anderer Anschluß B der Trägereingangsschaltung mit den Anschlüssen 50 und 52 verbunden wird. Die acht Widerstände 33 bis 40 haben einen Widerstand von lOkOhm.

Die Werte k₃ der Transistoren 11 und 12 werden mit Hilfe einer Potentiometeranordnung, bestehend aus Widersländen 41 und 42, gleich eingestellt, um die Kollektoren der Transistoren 11 und 12 auf gleiches Potential zu bringen. Eine Potentiometeranordnung, bestehend aus Widerständen 43 und 44, dient zum Abgleich der Werte k₃ der Transistoren 13 und 14.

Der Widerstand 27 wird so lange verstellt, bis eine bei Abwesenheit einer Trägerfrequenzspannung auftretende Datensignalspannung kein Ausgangssignal des muiiipiikativvn Modulators mehr zur Folgt hat: da Vi₁ ⁷Ii[IJi^-Sl₁-HId 29 v. ii.·' so !."nie veiMeilt. bis eiiu- bi,.i Abwesenheit eiuut J'ialcnsiginilspanminj; aultretende Trn!;<.T^'hvwi>i.:"m<^r Iv.in Ausgiinsissit'ivii <ir multiplikaüven M<H.lulat"i"s mein zur Folge hai.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Multiplikator Modulator mit einer Signalquclle. die ein erstes Signal liefert, und einer Signalquelle, die ein zweites Signal liefert, die mit einem Gegentaktmodulator verbunden sind, der vier Transistoren enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Transistoren (11 bis 14) zu zwei Stromübernahmeschaltungen paarweise verbunden sind, in denen die Beziehung

   Vb -Vb = Λ, Γ (log/,'- log J_c")

   für jede dieser Stromübernahmeschaltungen gilt und der Wert von Ii₁ für alle vier Transistoren gleich ist, wobei V₁₁ und I'_c die Basisspannung und der Kollektorstrom des einen Transistors, V₁]' und /_c" die Basisspannung und der Kollektorstrom des anderen Transistors, A₁ eine Transistor-Materialkonstante und T die absolute Temperatur ist, daß das erste Signal den Emittern der beiden Transistoren (11, 12) des einen Paares über eine Schaltung (27) und den Emittern der beiden anderen Transistoren (13, 14) über eine andere Schaltung (28) gegenphasig zugeführt wird, daß das zweite Signal den Basen zweier nicht zu einem Paar gehöriger Transistoren (11, 13) über Anschlüsse (49, 51) und den Basen der beiden übrigen Transistoren (12, 14) über andere Anschlüsse (50, 52) gegenphasig zugeführt wird und daß die Kollektoren je eines Transistors (12 bzw. 13) der beiden Paare mit einem gemeinsamen Ausgangskreis verbunden sind und beiden das zweite Signal gegenphasig zugeführt wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. 947 946.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   809 589 173 7 68 O ßiindesciruckcrci Berlin