DE1286586B - Frequenzmodulator - Google Patents

Description

zeichnet.

Bei einem Frequenzmodulator, der aus einem frei schwingenden Multivibrator mit zwei Transistoren und zwei Lastwiderständen besteht, wobei die beiden

eine möglichst lineare Modulationscharakteristik be- ίο Heft 3, vom März 1959). sitzen. In den bisherigen, mit Röhren aufgebauten Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

Modulatoren wird die gewünschte modulierte Mitten- Frequenzmodulator in Festkörperbauweise zu schaffrequenz (normalerweise 70 MHz) durch überlagern fen, der sich durch hohe Stabilität und vor allem durch von zwei Klystronoszillatoren erzeugt, wobei ein mit der Modulationsspannung lineare Frequenz-Oszillator durch Verändern der Reflektorspannung 15 modulation über einen sehr großen Bereich ausdirekt moduliert wird, während der andere unter
Zwischenschaltung eines Konverters das gewünschte
Frequenzband abgibt. Die erforderliche Linearität
der Modulationscharakteristik des modulierten Oszillators wird dadurch erreicht, daß dieser mit einem 20 Transistoren durch zwei Stromquellen gespeist werden speziellen Kompensationszweipol belastet wird. und das Modulationssignal den Strom einer der beiden

Es sind ferner Modulatoren mit Festkörperschalt- Stromquellen moduliert, wird diese Aufgabe dadurch kreisen bekannt, deren Oszillatoren mit Transistoren gelöst, daß der Lastwiderstand, der zu dem Transistor und Kapazitätsdioden aufgebaut sind. Mit diesen mit der modulierten Stromquelle gehört, als WiderModulatoren können jedoch keine großen linearen 25 Standsnetzwerk mit einer derart nichtlinearen Strom-Frequenzvariationen erzielt werden, weil dies die Spannungskennlinie ausgebildet ist, daß die Kollek-Kennlinie der Kapazität über der Modulationsspannung der Kapazitätsdioden nicht zuläßt.

Eine weitere bekannte Modulatorschaltung enthält
einen mit Röhren aufgebauten astabilen Multivibra- 30
tor, dessen Schwingfrequenz über die Gittervorspannung der beiden Multivibratorröhren veränderbar ist: Bei Anlegen einer Modulationsspannung an
die gitterabgewandten Enden der Gitterableitwiderstände ändert sich die Schwingfrequenz des Multi- 35 Da in die Schwingfrequenz des astabilen Multivibrators im gleichem Rhythmus wie die Modula- vibrators außer der Summe der Ströme, welche die tionsspannung (Journal of the Society of Motion - beiden Stromquellen dem jeweils leitenden Tran-Picture and Television Engineers, Bd. 66, Nr. 4, sistor einprägen, auch dieser Kollektorspannungs-Teil I, S. 182 ff). Diese Röhrenschaltung ist jedoch strom W eingeht, ist bei dem erfindungsgemäßen nicht für eine Ausführung in Festkörperbauweise 4° Modulator, bei dem 1V nunmehr eine Konstante geeignet, andererseits lassen sich die Röhren wegen ist, die Schwingfrequenz nur noch von dem Strom des unterschiedlichen Steuermechanismus nicht ein- abhängig, den man proportional der Modulationsfach durch Transistoren ersetzen. spannung machen kann.

Ein weiterer bekannter Röhrenmodulator enthält Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung enthält

eine Gegentakt-B-Stufe, deren Röhren als Arbeits- 45 das Widerstandsnetzwerk eine einzige Diode, welche widerstand je eine weitere Röhre haben, wobei die mit einem Anschluß an ein Bezugspotential und mit beiden letztgenannten Röhren als Gegentakt-C-Ver- dem anderen Anschluß an den Abgriff eines geteilten stärker geschaltet sind. Den Gittern der Gegentakt- Kollektorwiderstandes des Transistors angeschlossen B-Stufe wird die Modulationsfrequenz (Niederfre- und so vorgespannt ist, daß sie bei leitendem Tranquenz) zugeführt, während den Gittern der Gegentakt- 50 sistor ebenfalls leitet und dabei die Kollektorspannung C-Stufe die zu modulierende Hochfrequenz zugeführt unabhängig vom Kollektorstrom auf einem festen wird. Im Anodenkreis der C-Stufe liegt ein Schwing- Wert hält. Damit wird eine äußerst einfache schalkreis, an den die Hochfrequenzlast (Antenne) ange- tungsmäßige Realisierung des nichtlinearen Widerkoppelt ist (Electronics, 1957, 1. Dezember-Heft). Standsnetzwerkes erreicht, welche zur Einhaltung des Für diese Kaskadenschaltung, die nach dem Prinzip 55 festen Wertes der Kollektorspannung und damit einer der Serienmodulation arbeitet, gilt das gleiche wie konstanten Sprungamplitude der Kollektorspannung für die im vorigen Absatz besprochene Schaltung. beim Umkippen des. Multivibrators außer Vorspan-Eine weiterhin bekannte Modulationsschaltung ent- nungswiderständen nur eine einzige Halbleiterdiode hält einen mit Transistoren aufgebauten astabilen benötigt. Die erfindungsgemäße Modulatorschaltung Multivibrator, dessen Transistoren von zwei Strom- 60 ist dadurch sehr einfach und preiswert herstellbar, quellentransistoren gespeist werden. Bei einer Ver- In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung

änderung der Summe der von diesen gelieferten kann mindestens einer der die Vorspannung der Ströme ändert sich die Schwingfrequenz des Multi- Diode bestimmenden Widerstände des Netzwerkes vibrators. Der dem Multivibrator eingeprägte Strom zur Einstellung des festen Kollektorspannungswertes läßt sich über die Basisspannung eines der Strom- ⁶5 verstellbar sein. Damit läßt sich in sehr einfacher quellentransistoren beeinflussen. Die Änderung der Weise der feste Kollektorspannungswert und damit Schwingfrequenz des Multivibrators erfolgt jedoch auch der KollektorspannungsstromAV verändern, nicht linear mit der Steuerspannung. so daß der Proportionalitätsfaktor zwischen Modula

torspannung dieses Transistors in seinem leitenden Zustand unabhängig von der Größe seines Kollektorstroms gleich bleibt.

Damit wird der Vorteil erreicht, daß die Amplitude des Kollektorspannungssprungs, welcher beim Umkippen des Multivibrators auftritt, unabhängig von der Größe des diesen Transistor in seinem leitenden Zustand durchfließenden Stromes konstant bleibt.

tionsspannung und Frequenzänderung variiert und bestimmten Erfordernissen angepaßt werden kann.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Schaltbild eines herkömmlichen Multivibrators mit zwei Transistoren,

F i g. 2 die Abhängigkeit der Frequenz von dem Strom eines der beiden Transistoren dieses Multivibrators und

F i g. 3 das Schaltbild des aus dem Multivibrator der F i g. 1 gebildeten erfindungsgemäßen Modulators mit dem Netzwerk zur Linearisierung.

Der Multivibrator der F i g. 1 enthält im wesentlichen zwei Transistoren T₁ und T₂, die über ihre Emitter e_x und e₂ und die Widerstände R₅ und R₈ von den beiden aus den Transistoren T₃ und T₄. bestehenden Stromquellen gespeist werden. Der Kollektor C₁ des Transistors T₁ ist über den Widerstand R₄. mit dem Punkt A verbunden, dessen Potential von dem zwischen den Spannungen +E₁ und — E₂ liegenden Spannungsteiler/?!, R₂, R₃ bestimmt wird.

Der Kollektor c₂ des Transistors T₂ ist über den Widerstand R₉ mit der Spannung +E₁ verbunden.

Der Kollektor C₁ von T₁ ist direkt mit der Basis des Transistors T₂, der Kollektor C₂ des Transistors T₂ ist mit der Ausgangsklemme U verbunden.

Der von den beiden Stromquellen T₃ und T₄. gelieferte Strom bleibt konstant, wenn die beiden Emitterwiderstände R₆ und R₇ sowie die Spannungen an den Basen b₃ und b\ sich nicht ändern. Die Spannung der Basis b₃ wird über den vorher erwähnten Spannungsteiler R₁, R₂, R₃ und die Spannung der Basis i»4 über den Spannungsteiler R₁₀, R_n, der ebenfalls zwischen den Spannungen +E₁ und -E₂ liegt, erzeugt.

Die beiden Kondensatoren C₂ und C₄. dienen zur überbrückung. Der Kondensator C₃ zwischen den beiden Emittern e_t und e₂ ist einer der die Frequenz bestimmenden Parameter, während der Kondensator C₁ den Gleichstromweg zwischen der Eingangsklemme S und der Basis b₃ des Transistors T₃ auftrennt.

Die soeben beschriebene Schaltungsanordnung der F i g. 1 wurde bereits in dem Buch »Waveforms«, M. I. T. Radiation Laboratory Series, 1949, auf der Seite 171 als Röhrenschaltung beschrieben, und in der Zeitschrift »Proc. of the IEE«, Vol. 106, Teil B, ist die äquivalente Transistorschaltung gezeigt.

Die bekannte Arbeitsweise dieses Multivibrators beruht auf der Abwechslung der gesperrten und leitenden Zustände der beiden Transistoren T₁ und T₂. Der Kondensator C₃ zwischen den Emittern e_t und e₂ der Transistoren T₁ und T₂ wird dabei linear geladen und entladen. Dieses Laden und Entladen erfolgt linear, weil die beiden Emitter e_x und e₂ mit konstantem Strom gespeist werden.

Werden der Spannungsabfall zwischen der Basis und dem Emitter und die Kollektorruheströme der Transistoren vernachlässigt und wird außerdem der Stromverstärkungsfaktor α == 1 gesetzt, so kann auf einfache Weise die Schwingungsfrequenz berechnet werden:

welcher der einzige die Frequenz bestimmende Wider-r stand ist.

Um gemäß der Erfindung die gewÜHSchte Linearität zu erzeugen, ist an Stelle des Widerstandes R₄ der F i g. 1 ein Linearisierungsnetzwerk vorgesehen, dessen äquivalenter Widerstand in gleicher Weise abnimmt, wie der Strom I₁ +I₂, der den Transistor T₁ durchfließt, zunimmt.
Ein solches Netzwerk, wie es in der F i g. 3 durch die gestrichelte Linie umgrenzt ist, besteht — beginnend am Kollektor C₁ des Transistors T₁ — aus einem mit einer Diode D₁ in Serie geschalteten Widerstand Rj₄, wobei die Anode der Diode mit dem Punkt A verbunden ist. Zwischen dem Punkt +E₁ und dem Verbindungspunkt Q von R₁₄ und D₁ liegen zwei Serien widerstände R₁₂ und R₁₃, die zusammen mit einem der Diode D₁ parallelgeschalteten Widerstand R₁₅ einen Spannungsteiler bilden, der das Potential des Punktes Q bestimmt. Dieses Potential besitzt einen solchen Wert, daß die Diode leitend wird, wenn der Transistor T₁ leitend ist, und sperrt, wenn T₁ gesperrt ist.

Auf diese Weise wird der plötzliche Spannungsanstieg am Emitter e_x des Transistors TJ, der entsteht, wenn der Strom dieses Transistors von Null auf I₁ + I₂ steigt, begrenzt und durch die Potentialdifferenz zwischen den Punkten A und Q bestimmt, wenn der Transistor T₁ gesperrt ist. Um diesen Spannungshub verändern zu können, kann der Gleichstrom des Spannungsteilers durch R₁₂ geändert werden. R₁₂ wird von den übrigen Schaltgliedern durch den Uberbrückungskondensator C₅ entkoppelt.

Vom theoretischen Standpunkt aus und mit den Vereinfachungen, die bei der zur Ermittlung der Frequenz aufgestellten Gleichung (1) vorgenommen wurden und durch die gleichzeitig verschiedene sekundäre Einflüsse, wie Streukapazität usw., die auf jeden Fall die Wellenform ändern, vernachlässigt wurden, genügt die Verkleinerung von R₄ als Ergebnis der Variation des Stromes (I₁ +1₂) allein nicht, um die gewünschte Linearität zu erreichen. Wird der Spannungshub des Kollektors C₁, der auftritt, wenn der Strom des Transistors T₁ von Null auf I₁ + I₂ springt, A V genannt, so lautet die Gleichung für die Frequenz wirklich:

r r

j* _i

hh

+I₂)²

(1)

/1 und I₂ sind die Ströme der beiden Transistoren T₁ und T₂; R4 ist der Last widerstand des Transistors Tj, ^J C₃AV(I₁+^) ■

Aus dieser Gleichung (2) geht hervor, daß durch Ändern des Stromes I₁ die Frequenz sich nicht linear mitändert, entweder weil I₁ oder I₂ oder A V = R₄ (I₁ + I₂) sich ändert. Durch eine an den Kollektor des Transistors T₁ angeschlossene Diode kann im Falle einer idealen Diode die. Größe A V, unabhängig von der Änderung des Stromes I₁, konstant gemacht werden, was einer Verkleinerung von R₄ beim Ansteigen von I₁ entspricht. Solange also die Größe (I₁ + I₂) in der Formel (2) verbleibt, ist eine perfekte Linearität nicht zu erreichen. In der Praxis jedoch treten noch andere, die Wellenform verändernde Einflüsse auf, so daß durch die Summe dieser Einflüsse die erreichte Linearität besser ist als nach der Theorie. Der durch Konstanthalten der Größe AV mittels einer Diode erreichte Einfluß überwiegt auf

jeden Fall. Es genügt deshalb, einen plötzlichen Spannungssprung .1V zu verhindern, was in genügendem Maße durch das beschriebene, erfindungsgemäße Linearisierungsnetzwerk bewerkstelligt wird.

Dieses Netzwerk besitzt außerdem den Vorteil, dank des dazwischengeschalteten Widerstandes R₁₂ die Schwankungen des Spannungssprunges J V einstellen zu können. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß bei der Schaltungsanordnung der F i g. 3 die Linearität und die Mittenfrequenz jR₁₂, C₃ und R₆ eingestellt werden können, um einen Frequenzmodulator mit sehr großer Linearität zu verwirklichen.

Als Beispiel seien die Werte der Schaltungselemente und andere Parameter der Fig. 3 angegeben:

R₂ =

R₃ =
R₅ =

Re =
R₇ =

R₈ =
R₉ =

Rio —
R₁₁ =

Rl2 = Rl3 =

Rl* =
C₁ =

C₂ =

C₄ =

800 0hm

1700 Ohm

700 0hm

1000 Ohm

0 bis 2000 Ohm

600 Ohm

400 Ohm

50 Ohm

2400 Ohm

800 0hm

0 bis 3000 Ohm

1200 Ohm

62 0hm

1000 Ohm

0,1 aF

0,1 aF

5,5 bis 18 pF

0,1 aF

0,1 a F

+ 12VoIt

-20 Volt

Folgende Ergebnisse sind zu erreichen: Mittenfrequenz J₁. = 70 MHz. Modulationsbrandbreite > 20 MHz, Linearitätsabweichungen von 0,3",, über einen Bereich von Af₁. =±10 MHz. Thermisches Rauschen im schlechtesten Kanal (bei 960 simulierten Telephonkanälen mit weißem Rauschen und einer angenommenen effektiven Frequenzbandbreite von 20OkHz pro Kanal)= 14pW; Modulationsempfindlichkeit = 7 M Hz/Volt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Frequenzmodulator, bestehend aus einem frei schwingenden Multivibrator mit 2wei Transistoren und zwei Lastwiderständen, wobei die beiden Transistoren durch zwei Stromquellen gespeist werden und das Modulationssignal den Strom einer der beiden Stromquellen moduliert, dadurch gekennzeichnet, daß der Last widerstand, der zu dem Transistor (7J) mit der modulierten Stromquelle (T₃) gehört, als Widerstandsnetzwerk (R₂, R₃, R₁₂, R₁₃, R₁₄, R₁₅, D₁) mit einer derart nichtlinearen Strom-Spannungs-Kennlinie ausgebildet ist, daß die Kollektorspannung dieses Transistors (T₁) in seinem leitenden Zustand unabhängig von der Größe seines Kollektorstromes gleichbleibt.

2. Frequenzmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (R₂, R₃, R₁₂, R₁₃, R₁₄, R₁₅, D₁) eine einzige Diode (D₁) enthält, welche mit einem Anschluß (A) an ein Bezugspotential und mit dem anderen Anschluß (Q) an den Abgriff eines geteilten Kollektorwiderstandes (R₁₃, R₁₄) angeschlossen und durch die Potentialdifferenz zwischen diesen Anschlüssen, die durch die als Spannungsteiler wirkenden Widerstände (R₁₂, R₁₃, R₁₅) hervorgerufen wird, so vorgespannt ist, daß sie bei leitendem Transistor (T₁) ebenfalls leitet und dabei die Kollektorspannung unabhängig vom Kollektorstrom auf einem festen Wert hält.

3. Frequenzmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer (12) der die Vorspannung der Diode (D₁) bestimmenden Widerstände zur Einstellung des festen Kollektorspannungswertes verstellbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen