DE1291801B

DE1291801B - Parametrischer Verstaerker mit nichtlinearem, spannungsabhaengigem Kondensator

Info

Publication number: DE1291801B
Application number: DEC33688A
Authority: DE
Inventors: Glanc Antonin
Original assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Current assignee: Czech Academy of Sciences CAS
Priority date: 1963-08-31
Filing date: 1964-08-21
Publication date: 1969-04-03
Also published as: US3313950A; GB1073647A; AT259625B; SE320707B; BE652520A; NL6410129A; CH437442A

Description

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Die Erfindung betrifft einen parametrischen Ver- Verwendung ferroelektrischer Dielektrika beim nichtstärker mit einem Eingangsresonanzkreis zur Auf- linearen Kondensator in einfacher Weise eine Temnahme der Signalfrequenz, einem Oszillatorkreis und peraturunabhängigkeit zu erzielen und auf diese einem Kombinationsfrequenzen erzeugenden, nicht- Weise einen gegebenenfalls auch als Mischer arbeilinearen, spannungsabhängigen Kondensator. 5 tenden Verstärker zu schaffen, der mit gutem Ver-

Es ist bekannt, bei Verstärkern oder Mischern Stärkungsgrad temperaturunabhängig auch bei den

Halbleiterdioden vorzusehen, welche als nichtlineare, höchsten Frequenzen arbeitet,

spannungsabhängige Kondensatoren wirken und die Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

Kopplung zwischen dem auf die Signalfrequenz abge- der nichtlineare, spannungsabhängige Kondensator stimmten Eingangsresonanzkreis, dem Oszillatorkreis io ein ferroelektrisches Dielektrikum aufweist, dessen

und dem Ausgangskreis besorgen. Die derart verwen- Wirkleistungsaufnahme in einem bestimmten Tempe-

deten Halbleiterdioden besitzen jedoch etliche Nach- raturgebiet mit seigender Temperatur abnimmt, und

teile, welche ihre Anwendbarkeit begrenzen. Einer- die vom Oszillatorkreis erzeugte Wechselspannung

seits ist die Spannungsabhängigkeit der Kapazität über Regelmittel derart auf den Kondensator wirkt, verhältnismäßig gering, so daß die durch den Reak- 15 daß das Dielektrikum des Kondensators in das ge-

tanzverstärker erzielte Verstärkung bzw. der Konver- nannte Temperaturgebiet aufgeheizt wird und die

sionsgewinn des Mischers gleichfalls nur gering ist. Temperatur des Dielektrikums sich damit auf einem

Andererseits macht sich außerdem bei höchsten autostabilen Punkt einstellt.

Frequenzen der Serienwiderstand der Diode nach- Die Temperatur des Dielektrikums stabilisiert sich teilig bemerkbar, so daß mit Halbleiterdioden in der ao also bei einem Punkt, der durch das Gleichgewicht

geschilderten Art nur in bestimmten Frequenzberei- zwischen Wirkleistungsaufnahme und nach außen

chen erfolgreich gearbeitet werden kann. abgeführter Wärme gegeben ist und der vorzugsweise

Es ist nun weiterhin bekannt, statt der erwähnten oberhalb des Curiepunktes liegt. Dieses Temperatur-Halbleiterdioden in elektrischen Schaltungen Kon- gebiet ist durch besonders große Nichtlinearität des densatoren mit ferroelektrischem Dielektrikum zu 35 Dielektrikums ausgezeichnet. Die Hysterese ist hier verwenden. Auf diese Weise erhält man Elemente, praktisch gleich Null, und die ungünstigen Einflüsse deren Kapazität im großen Maße spannungsabhän- der Domänenstruktur auf Rauschen und Breite des gig ist. Frequenzbereiches, die weiter unterhalb des Curie-Aus der deutschen Auslegeschrift 1091162 ist es punktes stark wirksam sind, sind demgemäß nicht beispielsweise bekannt, Glycinsulfat oder Glycin- 30 vorhanden. Das nichtlineare Element kann seine Reselenat in monoklin kristalliner, gegebenenfalls mono- aktanz praktisch unbegrenzt rasch ändern, da eine kristalliner Form, vorzugsweise in Gedächtniszellen Bewegung der Domänengrenzen unterbleibt. Hierin Rechenmaschinenspeichern, als ladungsspeichernde durch und darüber hinaus durch den Umstand, daß Elemente zu verwenden. das dielektrische Element praktisch als reine Kapa-

Aus »Electronics«, 12/1951, S. 84 bis 88, ist es 35 zität wirkt, unterbleibt auch ein Beitrag zum Raubekannt, ferroelektrische Materialien, wie Barium- sehen, was ein besonderer Vorteil gegenüber den betitanat, gewisse Kombinationen von Strontium- und kannten Ausführungen mit Halbleiterdioden ist, bei Bariumtitanat und Kombinationen von Barium- und denen das Halbleiterelement selbst infolge der elek-Bleizirkonat in elektrischen Schaltungen zu Verstär- ironischen Prozesse im Halbleiter als Quelle therkerzwecken zu verwenden. Derartige ferroelektrische 40 mischen Rauschens wirkt. Die nichtlinearen ferro-Elemente zeigen eine temperaturabhängige Wirk- elektrischen Kondensatoren können ohne thechnoleistungsaufnahme, wobei die Wirkleistungsaufnahme logische Schwierigkeiten derart angefertigt werden, mit steigender Temperatur bis zum Curiepunkt daß ihre mittlere Kapazität im Bereich der autoansteigt, jedoch nach Überschreiten dieser kritischen stabilen Temperatur etwa 1 pF oder auch 1 nF beTemperatur steil abfällt) deutsche Auslegeschrift 45 trägt.

1116 821). Der Verlauf der Wirkleistungsaufnahme Die Erfindung schafft also einen gegebenenfalls als

mit der Temperatur (Imaginärteil der Dielektri- Mischer wirkenden parametrischen Verstärker, der

zitätskonstante) und auch der Verlauf des Realteils sich durch Rauscharmut und Anwendbarkeit bei

der Dielektrizitätskonstante ist für Triglycinsulfat höchsten und auch niedrigsten Frequenzen auszeich-

besonders eingehend in »Physical Review«, 1. 11. so net.

1962, S. 1140 bis 1145, beschrieben. Gemäß Eine zweckmäßige schaltungstechnische Ausfühder schon vorher genannten Veröffentlichung in rungsform der Erfindung liegt darin, daß der auf die »Electronics« ist es bekannt, Verstärkerschaltungen Signalfrequenz abgestimmte Eingangsresonanzkreis mit ferroelektrischen Elementen in der Nähe des. an dem nichtlinearen Kondensator über einen Trenn-Curiepunktes, vorzugsweise kurz oberhalb des Curie- 55 kondensator, und der Oszillator an denselben Punkt punktes auf dem. steil abfallenden Teil der Kurve des des nichtlinearen Kondensators über ein Regel-Imaginärteils der Dielektrizitätskonstante, zu betrei- element angeschaltet ist und der gemeinsame Punkt ben, da hier nicht nur eine große Spannungsabhängig- über einen Ableitwiderstand und eine gegebenenfalls keit der Kapazität vorhanden ist, sondern auch die überbrückbare Gleichspannungsquelle auf Erde liegt, piezoelektrischen Effekte, die Zeitkonstanten, die 60 Hierdurch wird es möglich, dem nichtlinearen Kon-Drift und die Hystereseverluste geringer sind. densator erwünschtenfalls eine geeignete Vorspan- ^:

In der letztgenannten Veröffentlichung wird jedoch nung zu erteilen.

ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das ferroelek- Um, insbesondere bei der Ausbildung des erfin-

trische Element sehr genau temperiert sein muß. Zur dungsgemäßen Verstärkers als Mischer, die Oszilla-

Temperaturstabilisierung wird ein automatischer 65 torspannung zur periodischen Änderung der Kapazi-

Thermostat empfohlen. tat von der zur Aufheizung des Elektrikums trennen

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei zu können, kann der erfindungsgemäße Verstärker

einem Verstärker der eingangs geschilderten Art trotz zweckmäßigerweise derart ausgebildet werden, daß

zur Temperierung des Dielektrikums des nichtline- Fällen ohne weiteres verwendbar ist. Hinzu kommt,

aren Kondensators dieses in thermischem Kontakt daß es notwendig ist, das Phasenverhältnis von /_s

mit einem ein ferroelektrisches Dielektrikum aufwei- und f_p beizubehalten, was nur durch eine hohe Fre-

senden Regelelement steht, dessen Wirkleistungsauf- quenzstabilität der Oszillatorspannung 3 erreicht wer-

nahme in einem bestimmten Temperaturgebiet mit 5 den kann. Der Oszillator muß deshalb quarzgesteuert

steigender Temperatur abnimmt und das über ein oder als Frequenzsynthetisator ausgeführt sein,

einstellbares Kopplungselement derart an den Oszil- Aus vorstehenden Gründen ist es oftmals zweck-

lator geschaltet ist, daß es bezüglich der Temperatur mäßiger, die Erfindung in Form der in F i g. 2 darge-

autostabilisiert ist. Das Dielektrikum des die Kopp- stellten Schaltung auszuführen. Es wurde experimen-

lungsfrequenzen erzeugenden nichtlinearen Konden- io teil festgestellt, daß die Oszillatorfrequenz f_p für eine

sators wird auf diese Weise also indirekt durch die optimale Verstärkung nicht genau das Zweifache der

Oszillatorspannung geheizt. Signalfrequenz /_s sein muß, sondern vielmehr von

Als besonders zweckmäßiges Dielektrikum für die diesem Verhältnis zweckmäßigerweise nach oben hin

erfindungsgemäß ausgebildeten und angeordneten abweicht. Dann fällt keine der Kombinationsfrequen-

nichtlinearen Kondensatoren hat sich Triglycinsulfat 15 zen/₍₁ und /_i2 mit der Signalfrequenz/_s zusammen,

erwiesen. Die Kombinationsfrequenzen werden zu höheren

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung Frequenzen hin verschoben, und es kann dann die gehen aus nachstehend an Hand von Zeichnungen Spiegelfrequenz im Eingangskreis nicht mehr in angeschilderten Ausführungsbeispielen hervor. Hierbei wendbarer Stärke erscheinen. Es ist dann jedoch zeigt ao nötig, für eine der Kombinationsfrequenzen (meistens

F i g. 1 einen als Geradeausverstärker wirkenden J_{1 x} = f_p + f_s), welche nun weitaus größer als f_s ist,

Verstärker nach der Erfindung, einen auf diese Frequenz abgestimmten Hilfsreso-

F i g. 2 einen Reaktanzverstärker oder Mischer mit nanzkreis vorzusehen. Dieser wird in F i g. 2 durch

einem auf eine der Kombinationsfrequenzen abge- die Kapazität 16 und die Induktivität 17 dargestellt,

stimmten Hilfsresonanzkreis, 25 Die Wicklung 18 ist an die Induktivität 17 gekoppelt

F ig. 3 eine der Anordnung nach F i g. 2 analoge und endet in der Ausgangsklemme 19.

Verstärkerschaltung mit indirekter Heizung des Auf diese Weise wird ein zweikreisiger Verstärker

Kopplungskondensators. geschaffen, der mit den drei Frequenzen f_s, f„ und f_t

In F i g. 1 ist das nichtlineare dielektrische Element arbeitet, wobei f_t = f„~ f_s, und dessen großer Vor-

mit 1 gekennzeichnet. 3 bezeichnet die Quelle der 30 teil darin liegt, daß die Oszillatorspannung 3 nicht

Oszillatorspannung mit der Frequenz f_p, 7 eine Ein- stabilisiert zu werden braucht,

gangswicklung, 8 eine mit dieser gekoppelte Induk- Das verstärkte Signal /_s kann dem Eingangskreis 8,

tivität, 9 einen mit dieser letzteren einen Resonanz- 9 entnommen werden. Wird jedoch der Ausgang 19

kreis bildenden Kondensator, 11 einen Widerstand aus dem Kreis 16,17 verwendet und dieser auf maxi-

zur Zuleitung einer Pölarisationsgleichspannung 13 35 male Verstärkung abgestimmt, so arbeitet der Ver-

oder zur Ableitung statischer Ladung bei eingesetzter stärker als Mischer. Am Ausgang 19 entsteht ein ver-

Überbrückung 12. 14 ist die induktiv mit der Induk- stärktes Signal der Frequenz f_p + f_s oder f_p — f_s.

tivität 8 des Resonanzkreises gekoppelte Ausgangs- Ist die Oszillatorfrequenz erheblich größer als die

wicklung, welche in der Ausgangsklemme 15 endet. Signalfrequenz, so spricht man von einem »oberen

Die Signalquelle ist durch 6 symbolisiert. 40 Konvertor«. Weicht die Oszillatorfrequenz f_p jedoch

Durch die aus dem Oszillator 3 zugeführte Wech- nur wenig von der Signalfrequenz f_s ab, so ergibt sich selspannung wird nun die Reaktanz des nichtlinearen ein sogenannter »unterer Konvertor«,
dielektrischen Elementes 1 periodisch geändert. Da- Wenn auch die grundsätzliche Schaltung eines durch entstehen Kombinationsfrequenzen »unteren Konvertors« der des »oberen Konvertors« * _ * 1 f 45 entspricht, so ist doch die gesamte Empfangsappa- lii Tp -r Ts ratur einfacher, weil die Frequenz des Ausgangsund kreises 16, 17 derart niedrig gewählt werden kann, f =zf—.f daß der untere Konvertor direkt an den Eingang ⁱ² " ^s" eines üblichen Kommunikationsempfängers ange-/_s steht für die Signalfrequenz. 50 schaltet werden kann.

Bei dem dargestellten Verstärker ist es zweck- Bei den bisher dargestellten Ausführungsformen

mäßig, die Oszillatorfrequenz auf das Zweifache der hat die Oszillatorspannung gemäß der Erfindung

Signalfrequenz einzustellen, so daß dann die zweite zweierlei Funktionen. Einerseits bewirkt sie die Än-

Kombinationsfrequenz gleich der Signalfrequenz ist: derung der Kapazität des nichtlinearen Kopplungs-

, _, _, _, _ , _, 55 kondensators, wodurch eine Verstärkung oder Mi-

Ti₂ Tp Ts — ^fs Ts Ts- schung entsteht. Andererseits bewirkt sie aber auch

Da der Eingangskreis 8, 9 auf diese Frequenz abge- die Aufheizung des Dielektrikums des nichtlinearen

stimmt ist, kann dann das verstärkte Signal mittels Koplungskondensators in das Gebiet, in welchem die

der Kopplungswicklung 14 abgenommen werden. Wirkleistungsaufnahme mit steigender Temperatur

Ist die Oszillatorfrequenz jedoch nicht genau das 60 abnimmt, wodurch in der geschilderten Weise eine Zweifache der Signalfrequenz, dann weicht die ent- Autostabilisierung der Temperatur erreicht wird. Zur stehende Kombinationsdifferenzfrequenz von der Einstellung der notwendigen Leistungszufuhr für die Signalfrequenz etwas ab, und im Resonanzkreis ent- Aufheizung dient in den in den F i g. 1 und 2 dargestehen dann zwei etwa gleich starke, jedoch in der stellten Schaltungen der Regelkondensator 4.
Frequenz etwas abweichende Signale. Dies kann in 65 Wie schon erwähnt, ist jedoch die zur Aufheizung der Praxis in von Radiosendern dicht besetzten notwendige Oszillatorspannung nicht immer auch die Wellenbändern zahlreiche Interferenzen hervorrufen, günstigste für die Mischung. Aus diesem Grunde wodurch der dargestellte Verstärker nicht in allen kann das nichtlineare dielektrische Element 1 über

ein mit ihm in thermischem Kontakt stehendes weiteres Regelelement 2 indirekt beheizt werden, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. ■

Das in Fig. 3 dargestellte Regelelement 2 weist ein nichtlineares Ferroelektrikum als Dielektrikum auf, welchem über einen Hochfrequenzregeltransformator 5 die notwendige Heizspannung zugeführt wird. Die Heizspannung wird so geregelt, daß das Dielektrikum des Regelelements 2 in das Gebiet der mit steigender Temperatur abnehmenden Wirkleistungsaufnahme aufgeheizt wird, so daß sich durch Gleichgewicht zwischen Wärmeabfuhr und Wirkleistungsaufnahme in der geschilderten Weise eine streng autostabile Temperatur einstellt. Da die Kondensatoren 2 und 1 in gutem thermischen Kontakt über eine gemeinsame Elektrode gebracht sind, wird somit auch das Dielektrikum des Kondensators 1 auf die erwünschte Temperatur gebracht und dort stabil gehalten. Bei Verwendung gleicher Dielektrika zeichnet sich das Dielektrikum im Kondensator 1 dann so durch maximale Nichüinearität aus.

Unabhängig von der Heizspannung kann die am Kondensator 1 anliegende Oszillatorspannung dann mit Hilfe des Regelkondensators 4 eingestellt werden. Die am Kondensator 1 anliegende Oszillatorspannung kann, da sie zur Aufheizung nicht mehr verwendet wird, sehr gering gehalten werden, so daß derart das günstigste Verhältnis von Signal- und Oszillatorspannung eingestellt werden kann.

Bei dem Hochfrequenzregeltransformator 5 und dem Regelkondensator 4 handelt es sich um äquivalente und vertauschbare Regelelemente.

Claims

Patentansprüche:

1. Parametrischer Verstärker mit einem Eingangsresonanzkreis zur Aufnahme der Signalfrequenz, einem Oszillatorkreis und einem Kombinationsfrequenzen erzeugenden, nichtlinearen, spannungsabhängigen Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare, spannungsabhängige Kondensator (1) ein ferroelektrisches Dielektrikum aufweist, dessen Wirkleistungsaufnahme in einem bestimmten Temperaturgebiet mit steigender Temperatur abnimmt, und die vom Oszillatorkreis (3) erzeugte Wechselspannung über Regelmittel (4, 5) derart auf den Kondensator (1) wirkt, daß das Dielektrikum des Kondensators (1) in das genannte Temperaturgebiet aufgeheizt wird und die Temperatur des-Dielektrikums sich damit auf einem autostabilen Punkt einstellt.

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Signalfrequenz abgestimmte Eingangsresonanzkreis (8, 9) an den nichtlinearen Kondensator (1) über einen Trennkondensator (10) und der Oszillator (3) an denselben Punkt des nichtlinearen Kondensators (1) über ein Regelelement (4) angeschaltet ist und der gemeinsame Punkt über einen Widerstand (11) und eine gegebenenfalls überbrückbare (12) Gleichspannungsquelle (13) auf Erde liegt.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperierung des Dielektrikums des nichtlinearen Kondensators (1) dieses in thermischem Kontakt mit einem ein ferroelektriscb.es Dielektrikum aufweisenden Regelelement (2) steht, dessen Wirkleistungsaufnahme in einem bestimmten Temperaturgebiet mit steigender Temperatur abnimmt und das über ein einstellbares Kopplungselement (5) derart an den Oszillator (3) geschaltet ist, daß es bezüglich der Temperatur autostabilisiert ist.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum der nichtlinearen Elemente aus Triglycinsulfat besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen