DE1499328A1 - Signalmultiplikator - Google Patents

Description

EDUARD LORENZ - BERNHARD SEGLER , MA10RIT S|iJ>LEJL· „

RECHTSANWÄLTE i£3if328

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Koriiiiern Electric Company limited Montreal» Quebec (Espiada)

Signalmultiplifeator

Die Erfindung betrifft einest Signalmultiplikator, allgeniein von der als Modulator bezeichneten Art, insbesondere einen linearen Signalmultiplikator, der imstande ist, zwei elektrische Signale, gewöhnlich Wechselstromsignale, miteinander unter Erzeugung eiiies Ausgangssignals zu multiplizieren, das eine Komponente enthält, die das Produkt der beiden Eingangssignale darstellt, und das im wesentlichen keine Komponente enthält, welche die beiden Eingangssignale selbst darstellt· ■

Die bisher für die Multiplikation von zwei Wechselstromeingangssignalen zur Verfügung stehenden Signalmultiplikatoren waren so eingerichtet, daß in. ihren Ausgängen nicht nur das Produkt der beiden Eingangssignale erschien, sondern auch Komponen^ten erschienen* die eines oder beide

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der Eingangssignale selbst darstellten. Ein t;ypiseher 'bekannter Multiplikator von der als Gegentakfcmodulator-en "he-- .-. zeichneten Art wird von lerman in "Electronic - and- Radio' Engineering" (MeGraw Hill, 4v Auflage,, 1955) auf Seite ^#0 : beschrieben. In dem dort gezeigten Multiplikator enthält das Ausgangssignal eine Komponente' _f; die das lirodukt der beiden Eingangssignale darstellt_t sowie eine Komponente» die eines; der Eingangssignale darstellt* TM mit einem derartigen Multiplikator-ein Ausgangs signal z,u erzeugen,, das im wesentlichen ein einfaches Eroidukt der beiden Eingangssignale ist;j müssen in dem Ausgang larallelschwl.ngkreise (tank circttit.a) oder Siebkreis© vorgesehen sein«.. Die Auslegung geeigBeter Siebkreise· ist jedoch mit Sehwierigkeiten verbunden, "beson- ders'wenn die Eingangssignale eine komplexe Weil enfOErß habei« ferner kann das Vorhandensein der Siebkreise oft zu imer* wünschten Beschräiiku-ngen; hins;iohtlioh der leistung der Schaltungen führen«, ' ' -

Es gibt auch noch andere Arten von Multiplikatoren^ die jedoch meistens eine relativ komplizierte öcha'ltung- erfordern und verschiedene Nachteile haben. Beisx>ielsweise ist in der am 23* Juni 1959 ausgegebenen USA-Patent schrift Kr. -2 891 726 (Decker u*a.) ein Signalmultiplikator beschrieben, der ein "Ausgangssignal in Form einer Heihe von Rechteekimpulsen erzeugt. Die Höhe jedes 3jnpulses ist einem der zu multiplizierenden Eingangssignale und die Breite jedes Bnpulses dem anderen der zu multiplizierenden Signale proportional. Der Durchschnittswert des Ausgangssignals ist

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daher dem.· Produkt der Eingangssignale proportional. Die-' ses System kann nur mit einer Speisespannung von dreieckiger Wellenform betrieben und sein Ausgang muß gesiebt werden, damit ein Signal erhalten wird, das annähernd einem Momentanprodukt der Werte der jeweils angelegten Eingangssignale entspricht» Die am 4« Juni 1963 ausgegebene USA-Patentschrift Nr«, 3 092 720 (De Vriger u>a·) zeigt eine Einrichtung, in der zwei Eingangssignale A und B dividiert werden, indem ein Eingangssignal A zur Modulation eines Trägersignals verwendet und das andere Eingangssignal B zur Modulation desselben Trägersignals mit einer um 90° voreilenden Phase moduliert wirdo Durch Addition der modulierten Signale erhält man ein Signal, dessen Phasenwinkel dem Quotienten der beiden Eingangssignale proportional ist. Das zuletzt genannte Signal wird dann an einen Demodulator angelegt, in dem eine Aus gangs spannung erzeugt wird, die bei kleinen Eingangssignalen demselben Quotienten dieser beiden Eingangssignale proportional ist· Hier ist eine . aufwendige und komplizierte Schaltung erforderlich und außerdem eine Einrichtung zum Erzeugen eines Trägersi-gnals·

Die Erfindung bezweckt daher, für die Multiplikation von zwei Eingangssignalen einen relativ einfachen Signalmultiplikator zu schaffen, der in seinem ganzen Arbeitsbereich ein Ausgängssignal erzeugt, das dem. Produkt der Eingangssignale proportional und im wesentlichen frei ist von Komponenten, die den einzelnen Eingangssignalen selbst proportional sind. Die Eingangssignale können nach

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Wunsch dieselbe frequenz oder verschiedene Frequenzen haben und sinuskurvenförmig oder nicht sinuskurvenförmig sein.·

Zu diesem Zweck schafft die Erfindung einen Signalmultiplikator zum Erzeugen eines, elektrischen Aus- gangs.signals, das dem Produkt aus einem ersten und einem.: _: zweiten elektrischen Eingangssignal proportional ist, wobei ein erster Strom i erzeugt wird,, dessen Stromstärke dem Mosmentanwert des ersten- Signals im wesentlichen linear pro-.. , pprtional ist, und ein zweiter Strom -i, der im wesentlichen dieselbe Stromstärke und das entgegengesetzte Vorzeichen hat wie der erste Strom. Dieser Signalmultiplikator ist dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der erste Strom in Ströme Ιχ und I₂ geteilt wird, deren Verhältnis sich mit dem 1/Lo.mentanwert des zweiten Signals im wesentlichen linear verändert,

(b) der zweite Strom in demselben Verhältnis in Ströme I4. und T-z geteilt wird, so daß JL

I₂ 3

(c) und als das genannte Ausgangssignal ein Signal erzeugt wird, das den Strömen ^:Ιχ - I₂- + I3 - I^ proportional ist

Der erste Strom i kann durch einen ersten Stromgenerator erzeugt werden, der einen Strom i in Abhängigkeit von einem Steuersignal erzeugt, das an einen Steuersignaleingang des Stromgenerators angelegt wird, und der den Strom i mit einem Ruhegleichstrom I überlagert· Der zweite Strom -i kann durch einen zweiten Stromgenerator erzeugt werden, der den Strom -i in Abhängigkeit von einem Steuersignal erzeugt, das an einen Steuersignaleingang des Stromgenerators

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angelegt wird, und der den Strom -i mit demselben Ruhe-■gleichstrom überlagert* Eines derSingangssignale, beispielsweise das erste Eingangssignal, kann zwischen den beiden Steuersignaleingängen der Stromgeneratoren angelegt werden, ün die Stromgeneratoren kann eine gemeinsame Vorspannung angelegt werden, die so gewählt wird, daß die Strom-Generatoren in einem im wesentlichen linearen Bereioh ihrer Kennlinie arbeiten, wobei das erste Signal sau dieser Vorspannting symmetrisch ist*

Per Signalmultiplikator kann ferner eine erste, zweite, dritte und vierte steuersignalabhängige Hinrichtung besitzen. Diese Einrichtungen sind einander ähnlich· Jede yon ihnen hat einen Steuersignaleingang, einen Stromeingang und einen Stromausgang· Die Steuersignaleingängje der ersten und vierten Einrichtung sind an einem ersten Punkt miteinander gekoppelt· Die Stromsignaleingänge der zweiten und dritten Einrichtung sind an einem zweiten Punkt miteinander gekuppelt· Das zweite Eingangssignal wird zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt angelegt. Die Stromeingänge der ersten und der zweiten Einrichtung sind miteinander gekoppelt, und an diese Eingänge wird der Strom i+I angelegt. Die Stromeingänge der dritten und vierten Einrichtung sind ebenfalls miteinander gekoppelt^ und an sie wird der Strom -i+I angelegt· Die Vorspannung der Einrichtungen liegt in einem solchen Bereich, daß sich der Strom i+I in dem vorstehend angegebenen Verhältnis auf die erste und zweite Einrichtung aufteilt, und daß sich der Strom -i+I in demselben Verhältnis auf die dritte und vierte Einrichtung aufteilt, wenn das zweite SIg-

nal zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt angelegt wird, so daß die Ströme an den Ausgängen der ersten, zweiten, dritten und vierten Einrichtung die genannten Ströme 1^, I2, I3 bzw. I4. sind,, Die Stromausgänge der ersten und dritten Einrichtung sind miteinander gekoppelt und erzeugen ein erstes Lastsignal, das den genannten Strömen I-j + I^ proportional ist ο Die Stromausgänge der zweiten und vierten Einrichtung sind miteinander gekoppelt und erzeugen ein zweites Lastsignal, das den genannten, Strömen Ig + I4. proportional ist_# Das erste und zweite lastsignal werden gegenpolxg zur Erzeugung des Ausgangssigmls verwendet«

An die steuersignalabhängigen Einrichtungen wird eine solche Vorspannung angelegt, daß sie in einem im wesentlichen linearen Bereich ihrer Kennlinie arbeiten«, Das zweit© Signal kann zu dieser Vorspannung symmetrisch sein.

Es können zwei gleiche !»astimpedanzglieder vorgesehen sein» die an einem Verbindungspunkt in Reihe geschaltet sind» Die gekoppelten Stromausgänge der ersten und dritten Einrichtung können über die in Heihe geschalteten Lastimpedanzglieder mit den gekoppelten Stromausgängen der zweiten und vierten Einrichtung verbunden sein, wobei der Verbindungspunkt mit den Stromeingangen der vorstehend erwähnten Stromgeneratoren verbunden iste

Die steuersignalabhängigen Einrichtungen können vier ähnliche Transistoren sein· Jeder Stromgenerator kann einen Transistor aufweisen, der dem Transistor des anderen Stromgenerators ähnelt. In diesem Fall sind die Stromeln-

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gänge die Emitter, die Stromausgänge die Kollektoren und die Steuersignaleingänge die Basen dieser Transistoren, Die steuersignalabhängigen Einrichtungen können auch, vier ähnliche Vakuumröhren sein und die Stromgeneratoren können Vakuumröhren aufweisen, die einander ähnlich sind. In diesem Fall and die Stromeingänge die Kathoden, die Stromausgänge die Anoden und die Steuersignaleingänge die Gitter dieser Vakuumröhren. Es können auch andere geeignete Einrichtungen verwendet werden, beispielsweise Feldeffekttransistoren«,

Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, die Schaltungsbeispiele zeigen, während der Umfang der Erfindung in erster Linie aus den Patentansprüchen hervorgeht· In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine mit Transistoren versehene Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Teil einer Schaltungsanordnung, die der nach Fig. 1 äquivalent ist,

Fig. 3 einen Teil einer anderen Schaltungsanordnung, die der nach Fig. 1 äquivalent ist_f

Fig. 4 eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach ^ig. 1 und

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung, die der nach Fig. 1 ähnelt, aber mit Vakuumröhren versehen ist·

Fig. 1 zeigt eine erste Schaltung gemäß der Erfindung. Es ist ein Satz von vier ähnlichen Transistoren Ql - Q4- vorgesehen, die im wesentlichen identische Kennlinien

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haben. Diese vier Transistoren können vorteilliafterweise auf demselben Substrat hergestellt werden, um die Erzielung dieser gleichen Kennlinien zu erleichtern)-; Die Emitter der Transistoren Ql und Q2 sind miteinander und mit dem Kollektor eines anderen Transistors Q5 verbunden. Die Emitter der Transistoren Q3 und Q4 sind miteinander und mit dem Kollektor eines anderen Transistors Q6 verbunden«, Die Emitter der Transistoren Q5 und Q6 sind durch je einen hochojunigen Widerstand El bzw. R2 mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden, die hier als eine in der Mitte geerdete Batterie B dargestellt ist. Die Transistoren Q5 und Q6 wirken im wesentlichen als Stromgeneratoren, die einen Strom erzeugen, dessen Stromstärke zu einem an ihre Basen angelegten Signal proportional ist, wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist.

Die Kollektoren der Transistoren Ql und QJ sind miteinander und mit einer Klemme 2 eines Belastungswiderstandes Rli verbunden. Die andere Klemme 4- des Widerstandes %jl ^^s* mit dem Pluspol der Batterie B verbunden. Die Kojllektoren der Transistoren Q2 und Q4- sind in ähnlicher Weise miteinander und mit einer Klemme 6 eines anderen Belastungswiderstandes Rjj2 verbunden, der denselben Widerstandswert hat wie der Widerstand Rjj.· Die andere Klemme des Widerstandes R-^2 ist mit der Klemme 4- und daher mit dem Pluspol der Batterie B verbunden.

Von den Ausgangsklemmen 8 und 10 der Schaltung, welche die Reihenschaltung der Widerstände Rjj, und Ri,2 um-

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faßt, wird ein Ausgangssignal e₀ abgenommen. Die Klemmen 8 und 10 sind über je einen Sperrkondensator Gl bzw„ 02 mit den Widers tandäclemmen 2 bzw» 6 verbunden.

An die Primärwicklung eines Transformators Tl wird ein erstes Eingangssignal v_a angelegt, das eines der zu.multiplizierenden Signale ist. Es sei angenommen, daß der Transformator Tl ein ilfindungsverhältnis von 1:1 hat. Die Sekundärwicklung des Transformators Tl ist in der Mitte geerdet. Eine Klemme 12 der Sekundärwicklung von Tl ist mit den Basen der Transistoren Ql und Q^ verbunden. Die andere Klemme 14 der Sekundärwicklung von Tl ist mit den Basen der Transistoren Q2 und Q3 verbunden. Die Bestimmungsgrößen der Schaltungsanordnung sind so gewählt, daß bei Abwesenheit eines Eingangssignals v_a die an die Basen der Transistoren Ql - Q4 angelegte Vorspannung (Erdpotential) diese Transistoren etwa in der Mitte des am meisten linearen Teils ihrer Kennlinie hält, wobei alle Transistoren dieselbe Eingangsimpedanz haben« Das an die Basen der Transistoren Ql und Q4- einerseits und der Transistoren Q2 und Q3 andererseits angelegte Signal v_a ist zu dieser Vorspannung symmetrisch.

Ein zweites Eingangssignal V]₃ für die Schaltungsanordnung wird an die Primärwicklung eines anderen Transformators T2 angelegt. Es sei angenommen, daß dieser Transformator ebenfalls ein Windungsverhältnis von 1:1 habe. Die Sekundärwicklung des Transformators T2 hat eine Mittelanzapfung und Endklemmen 18 und 20. Die Klemmen 18 und 20 sind mit den Basen der Transistoren Q5 bzw. Q6 und die Mittelanzapfung ist mit einem Vorspannungsnetzwert verbunden, das aus einem Span-

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nungsteiler mit einem Widerstand H3 besteht, der mii? dem Minuspol der Spannungsquelle B verbunden ist, und dem geerdeten Widerstand R4. Die an die Anzapfung 16 angelegte % Vorspannung ist so gewählt, daß die Transistoren ^5 und Q6 etwa in der Mitte des am meisten linearen Bereichs ihrer Kennlinie gehalten werden. Das zwischen den Basen der Transistoren Q5 und Q6 angelegte Signal Tb ist zu dieser Vorspannung symmetrisch. Der Parallelkondensator CJ sorgt dafür, daß die Anzapfung 16 für Wechselstrom auf dem jSrdpotential gehalten wird.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 kann jetzt qualitativ wie folgt erläutert werden. Es sei angenommen, daß zunächst kein Signal va an die Klemmen 12 und 14- angelegt und ein Signal ve an die Klemmen 18 und angelegt wird. An den Transistoren Ql und Q2 liegt dieselbe Vorspannung (Erdpotential), so daß der Kollektorstrom des Transistors Q5 gleichmäßig auf die Transistoren "YL und ^2 aufgeteilt wird und die Transistoren gleiche Kollektorntröme Il und 12 haben. Da in Fig. 1 der Strom Li in dem Widerstand Bj/i aufwärts und der Strom l£ in dem Widerstand Ej^ abwärts fließt, heben sich die" von diesen Strömen in den Widerständen ^Ll ^un<^ ^L2 abgeleiteten Spannungen auf und. wird an den Klemmen 8, 10 kein Ausgang erhalten. Die in der Reihenschaltung der Widerstände Rj,i und Rj^ von den Kollektorströmen der Transistoren Q3 und Q4 abgeleiteten Spannungen hefeen sich ebenfalls auf.

Jetzt sei angenommen, daß ein Signal v_a vorhanden ist» aber kein Signal V]₃, so daß jeder der Transisttos

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und Q6 nur einen Ruhegleichstrom 1 erzeugt. Wenn ein Signal v_a· vorhanden ist, "bestimmt es das Verhältnis der Eingangsimpedanzen der Transistoren Ql und Q2, so daß der von dem Transistor Q5 erzeugte Strom I auf die Transistoren Ql und Q2 in dem Verhältnis ihrer Eingangsimpedanzen aufgeteilt wird» Der von dem Transistor Q6 erzeugte Strom I wird in demselben Verhältnis auf die Transistoren Q4- und Q3 aufgeteilt. Es sei beispielshalber angenommen, daß in einem gegebenen Zeitpunkt das Signal v_a einen solchen Wert habe, daß der Transistor Ql 70% des ,Stroms I und der Transistor Q2 30% dieses Stroms leitet. Dann leitet der Transistor Q3 50% des Stroms I und der Transistor Q4- 70%. Die in dem Widerstand Rj₁I aufwärtsfließenden Ströme I^ + I^ haben somit die gleiche Summe wie die in dem Widerstand Rl2 abwärtsfließenden Ströme I2 + I4., so daß an der Reihenschaltung der Widerstände Rli und RL2 wieder kein Ausgangssignal e₀ erscheint.

Wenn daher eines der Eingangssignale fehlt, ist kein Ausgangssignal vorhanden, wie dies für einen linearen Multiplikator gefordert wird.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in dem Zustand, in dem beide Eingangssignale v_a und ve vorhanden sind, sollen jetzt die Teildarstellungen von äquivalenten Schaltungsanordnungen nach -den Figuren 2 und 3 analysiert werden. Bei dieser nur 'annähernden Analyse wird angenommen, daß der Kollektorstrom eines Transistors nur von der Basis-Emitter-Spannung und nicht von der Kollektor-Basis-Spannung oder der Kollektor-

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Emitter-Spannung abhängig ist. Ferner sei angenommen, daß der Kollektorstrom Il des Transistors Ql durch die Basis-Emitter spannung vl nach folgender Gleichung wie folgt bestimmt wird:

I₁ - I₈ (e^kvl - 1) (1)

Dabei ist I_s der Sättigungsstrom des Transistors und k eine für die vorliegende Diskussion gewählte Konstante₀

Zur leichteren Manipulation kann die Gleichung (1) wie folgt geschrieben werden:

Ii « I₃ e^kvl (2)

Dabei ist

i{ -I₁ + I₈ (5)

Pig. 2 zeigt nun einen Teil einer äquivalenten Schaltungsanordnung mit dem ersten Transistorpaar Ql und Q2 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 Der Widerstandswert jedes

R₁. der Lastwiderstände RJj₁ und R₁^ beträgt -^-, Es sei angenommen, daß der mit den Emittern der Transistoren Ql und Q2 verbundene Transistor Q5 einen Ruhe-Gleichstrom 1 erzeugt, der mit einem Wechselstrom i überlagert wird, der durch ein an die Basis des Transistors Q5 angelegtes Signal bestimmt wird. Der Transistor Ql führt den Strom I₁ und der Transistor Q2 den Strom I2. Dabei ist

I₁ + I₂ - i + I O)

Da nach Gleichung (j) I₁ « I₁ ¹ - I_s und

I2 « Ig¹ - I_s ist, kann die Gleichung (4-) wie folgt geschrieben werden:

I₁' +I₂' . i + I - 2I_S (5)

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Auf Grund der Gleichung (2) und da v^= v_a+v₂ ist (gemäß Fig» 2), ist

IJJ = I₈ e*M . χ
und

Ιέ - I₈ β
Daher ist

IJJ - I£ e^k
Wenn man in der Gleichung (5) für IJj den in Gleichung

(6") angegebenen Ausdruck einsetzt, erhält man I₂ (e^kVa + 1) = i + I - 2 I₃

so daß

i + I - 2 I_s
I₂ w— (7)

Wenn man in der Gleichung (5) für I₂ den in der Gleichung (7) angegebenen Ausdruck einsetzt, erhält man !· - α ₊ ι - a i_B) _a_j_j__ ₍₈₎-

Wenn man Jetzt in den Gleichungen (7) und (8) die ursprünglichen Veränderlichen I^ und I₂ einsetzt, wie sie durch die Gleichung (3) bestimmt werden, und die verschiedenen Komponenten trennt, kann man schreiben

β ¹^a β

+ (I - 2I_S) —j- - I₈ (9)

χ ^kva

^CI * ^{2 Is)} ET- " ^{Ia Cl0)}

i + β ^Jnra- i + e

Jeder dieser Ströme enthält eine Komponente, welche eine Funktion beider Eingänge i und v_a ist, eine Komponente, die nur eine Funktion von v_a ist, und eine Gleichstromkomponen-

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te ο Es sei daran erinnert, daß der Eingangsström i von dem Eingangssignal ν abhängig ist, das an die Basis des Transistors· Q5 angelegt wird.

Jetzt sei auf die fig. 3 Bezug genommen* die .eine äquivalente Schaltung für den ganzen Multiplikator zeigt* Durch Addition der Emitterströme If und I^ der Transistoren Ql und Q2 erhält man wieder den Strom i+I» Jetzt werden die Transistoren Q3 und Q4 jedoch mit Strom von dem Transistor Qß? gespeist, an dessen Basis ein Signal liegt, das in "bezug: auf die Vorspannung der Transistoren Q5 und Qß ziu dem an der Basis des Transistors Q5 liegenden Signal gegenpolig ist«

Wenn man nun wieder annimmt,, daß die Transistoren Q5 und Q 6 in einem, linearen Bereich arbeiten,- erzeugt der Transistor Q6 einen Strom -i+I und hat die Summe der Emitterströme I35 und I^ der Transistoren Q$ und Q4 nicht den We^t? i+I, sondern den We-^t -i+I*

Die Ströme I^ und I2 ^¹¹ ^^eri Schaltungsanordnung nach Fig. 3 entsprechen daher den Gleichungen (9) "frzw* (1Ö)«, Dabei sind die Ströme I^ und I4 jedoch gegeben durch

^2Is)

-^{Is Cl2>}

Das Äusgangssisn-al ©₀ beträgt

e₀ - (I₁ + I3) ^- - (I₂ + I4) —^

(I₁ - 12 + I3 - I₄.) Ci?)

Q 0 9 Ö 1 9 / 0 & β S BAD ORIGINAL

Wenn man in die Gleichung (13) die Ausdrücke für die Ströme I^ "bis I4. einsetzt, erhält man

- 1

k v_a

= i R₁, tg h (14)

2
k v_a

Für tt 1 ist dies

kv_a

^L 2

« K i v_a (15a)

Dies ist ein Produkt der beiden Eingänge i und v_a · K ist eine Konstante und hat den Wert I« . Der Eingangsstrom i ist natürlich von dem Signal T^ linear abhängig. Annähernde Fehleranalyse

Die .Spitzenverzerrung D kann wie folgt definiert

werden: ■* _β Line ar aus gang - Is tausgang

Linearausgang

Man kann die Verzerrung auf" k v_a beziehen» k ist jedoch eine relativ komplexe Eonstante, die von mehreren Faktoren abhängig ist und nur schwer gemessen werden kann. Die Verzerrung D wird daher auf den Stromverstärkungsfaktor der Schaltungsanordnung bezogen, da dieser Strömverstärkungsfaktor relativ einfach gemessen werden kann.

Der Stromverstärkungsfaktor q( der Schaltüngsan-'ordnung kann definiert werden als das Verhältnis der tatsächlichen Ausgangsspannung zu der Ausgangsspannung, die der Eingangsstrom i in den Belastungswiderständen Rj,^ und Rl2 erzeugen würde, wenn die Transistoren Q2 und Q3 nicht anwesend

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wären. Das heißt, daß

Nach Gleichung (14) ist daher

kv_a or « tg h -^- ₍₁₆₎

Nach Gleichung (15) ist der lineare Ausgang kv_a
i Rl -ö— · Nach Gleichung (16) kann dieser Ausdruck auch

in i Rl tg h~" geschrieben werden. Gemäß Gleichung (14) be-

kv_a trägt der Istausgang i Er tg h —5- · Nach Gleichung (16)

kann dieser Ausdruck i Rl « geschrieben werden. Daher ist die Verzerrung

tg T)	oi3 ~3	IT1	Of-Of	0.5 α T+V	tg	7	h~ - ex + —ε + r- + ...
tg	Oi	h-1	or	T +F		- +
Durch Einsetzen des	Ausdruckes			0 · «
erhält man			*4* · * · · ~7
+

In der Praxis reduziert sich diese Gleichung bei

relativ kleinem ox auf

so daß

3 + Qr

3 D
(17)

Maximale Stromverstärkungsf aktoren or* für eine vor-

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geschriebene Spitzenverzerrung D auf Grund dieser Analyse sind nachstehend angeführt.

Spitzenverzerrung Maximaler Stromverstärkungs- % faktor (<x)

0,1	0,045
1,0	0,16
10,0	0*7

Innerhalb der vorstehend annähernd angegebenen Verzerrungsgrenzen hat der Multiplikator daher den Ausgang

e_o » K i v_a

Da die Stromstärke i von dem Eingangssignal V]₉ linear abhängig ist, hat das Ausgangssignal den Wert

•o - K¹ T_a v-fc

Dabei ist K¹ eine Konstante, die teilweise von. den Kennlinien der Transistoren Q5 und Q6 abhängig ist·

Es sei beispielsweise angenommen, daß die Signale T_a und V-J₃ sinuskurvenförmig und durch folgende Ausdrücke gegeben sind: ..

v_a - V_a sin w_a t

sin *b fc

Dabei sind V_a und V^ die Spitzenamplituden und w_a und die Kreisfrequenzen der Signale v_a und Vj₃ · Das Ausgangssignal eo hat dann den Wert

e_Q-- K« V_a Vb sin Wb t

Wenn beiepielsweiee w_a eine frequenz von 10,000 Hz und Wb eine Frequen* von 500 Hs darstellt, enthält das Aue·· gange signal ·₀ Kompontntan, welch· die Su«menfr*qu«n* '

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- ie - ·. ■

(10 500 Hz) und die Differenzfre^uenz (9500 Hz) darstellen. Wenn sowohl w_a als auch Wb dieselbe Frequenz darstellen;, "beispielsweise 1000 Hz, enthält das Ausgaiigssignal eine ponente von 2000 Hz (Summenfrequeniz) und eine komponente (Differenzfrequenz), Ferner ist die Spitzehamplitude des Ausgangssignals e_o dem Brödukt der Spi^^enatmplitii-den V_a und Vb der Eingangssignale v_a und vb proportional·

Die Eingangssignale v_a und v^ brauchen natürlich nicht sinusrkurvenfö3?mig sein· Jedes dieser Signale kann eine Rechteckwelle Öder eine Dreieekwelle sein öder eine ändere Wellenform ha-ben, Unabhängig von der Form ter Eingäncssigfaaii ergibt der ITüiirllA&ätor ein fcaentanprfcdukt der Einganges ignale· Da im dem linearen Bereich des Multiplikators das AusgangsBignkl im wesentlichen frei ist >vom Komponenten^ welche eines der einzelnen Eingangssignale darsfeeliLen, soiidem nur Komponenten enthält, welche diese® Erodukt.darstellen, -i-s% das Bedürfnis nach Siebkreisen im Ausgang stark herabgesetzt,

Inder beschriebenen Schaltungsanordnung sind die Koilektoratröme der Transistoren Q5 und Q6 von Veränderungen des EingangBaignals I^ im wesentlichen unabhängig und im we «ent liehen nur von dem Signal V]₃ abhängig. Auch die Aufteilung der Ströme auf die Transistoren Qi und Qg bzw. q$ und Q^. 1st im wesentlichen unabhängig von der Stromstärke i, d.h.* von dem Signal v_D» und nur von dem Signal Va abhängig. Die Veränderungen der Baeie-Emitter-ßpannung dieser Trau-•iatoren werden in Abhängigkeit von dem Signal v_& und der Strome tärke des auf tut eil enden Stroa· automat iech verändert,

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Gegebenenfalls können die Basen der Transistoren Q2 und Qj auf einer festen Vorspannung gehalten werden. Der Eingang v_a kann dann unsymmetrisch sein, wie in Fig« 4- gezeigt ist. In Figo 4 sind die Basen der Transistoren Q2 und Q3 mit einem üblichen impedanzarmen Vorspannungsnetzwerk 22 verbunden, dis gegen Erde eine kleine Impedanz hat. Bei einem unsymmetrischen Eingangssignal v_a ist es in diesem Fall wünschenswert, die Belastungswiderstände Rj^ und Rj^ durch einen Ausgangstransformator T3 zu ersetzen, der eine Mittelanzapfung hat, damit sich die Unsymmetrie nicht auf das Ausgangssignal βς> auswirkt. Auch in der Schaltungsanordnung nach Fig» 1 wird vorzugsweise ein Ausgangstransformator verwendet, wenn Sas Signal v-^ so stark ist, daß er die Transistoren Q5 und Q5 während je eines Teils jeder Periode abwechselnd sperrt. Infolge der festen Kopplung zwischen den Transformatorhälften wird in an sich bekannter Weise die Verzerrung des Ausgangssignals herabgesetzt.

In einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können anstelle von Transistoren auch Röhren verwendet werden. Eine derartige Röhrenschaltung ist in Fig. 5 gezeigt. Es ist ein Satz von vier einander ähnlichen Trioden Vl bis V4- mit im wesentlichen gleichen Kennlinien vorgesehen. Die Kathoden der Trioden Vl und V2 sind miteinander und mit der. Anode einer anderen Triode V5 verbunden. Die Kathoden der 'Trioden V3 und V4- sind miteinander und mit der Anode einer anderen Triode V6 verbunden. Die Kathoden der Trioden V5 und V6 sind über je einen Kathodenwiderstand Rl' bzw. R2¹ mit

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dem Minuspol der in der Mitte geerdeten Spannungsquelle B¹ verbunden. Der vViderstandswert der Widerstände El¹ und R2' ist so groß, daß die Trioden V5 und V6 als Stromgeneratoren wirken. Der Pluspol der Stromquelle B¹ ist mit dem Verbindungspunkt von zwei in Reihe geschalteten Belastungswiderständen Rj₁I¹ und Rl2* verbunden. Die andere Klemme des Widerstandes Rl2' ist mit den Anoden der Trioden V2 und V4- verbunden. Das Eingangssignal v_a ist über den Transformator Tl¹, dessen Sekundärwicklung in der Mitte geerdet ist, mit den Gittern der Trioden Vl und V4 verbunden. Das Eingangssignal V^ wird an die Gitter der Trioden V5 und V6 über einen Transformator T2' angelegt, dessen Sekundärwicklung eine Mittelanzapfung 16' hat, die mit einem Vorspannungsnetzwerk verbunden ist. Dieses besteht aus einem Spannungsteiler mit einem Widerstand R3¹, der mit dem Minuspol der Stromquelle B¹ verbunden ist, und dem geea? deten Widerstand R4-¹ . Der Kondensator C3¹ halt die Anzapfung 16· für Wechselstrom auf dem Erdpotential.

In ihrer wirkungsweise ähnelt die Röhrenschaltung der Transistorenschaltung, so daß dieselbe partielle qualitative Analyse möglich ist, wenn man nur in der vorstehenden Abhandlung den Ausdruck "Kollektorstrom" durch "JLnodenstrom" ersetzt. Das Ausgangssignal e_o ist im wesentlichen wieder nur von dem Produkt der beiden Eingangssignale v_a und v^ abhängig und enthält im wesentlichen keine Komponenten, die nur eines der Eingangesignale allein darstellen, Das Signal v_a kann wieder unsymmetrisch sein, wenn dies erwünscht ist, indem

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die Gitter der Trioden V2 und V3 ähnlich wie in der Schaltungsanordnung nach Pig. 4 an ein festes Vorspannungsnetzwerk angeschlossen sind. Dieses Vorspannungsnetzwerk braucht jedoch nicht impedanzarm zu sein, da zum Unterschied von Transistoren Röhren eine relativ hohe Eingangsimpedanz haben.

Anstelle der Trioden V5 und V6 können Pentoden verwendet werden, mit denen eine noch höhere Ausgangsimpedanz erzielt werden kann als mit Trioden.·Ferner stellen die Trioden Vf? und V6 (oder die Transistoren Q5 und Q6) nur ein Beispiel von Mitteln zum Umwandeln eines der zu multiplizierenden Spannungssignale in ein Stromsignal dar. Wenn das Signal Vj₃ bereits als Stromsignal zugeführt wird, beispielsweise von einem Meßinstrument, ist eine derartige Umwandlung nicht notwendig. Es muß dann aber auch der das Signal Vb darstellende Strom in gegenphasige Komponenten aufgeteilt werden, die je einem der Triodenpaare oder Transistorenpaare zugeführt werden.

Ferner können anstelle der dargestellten, gewöhnlichen Transistoren oder Vakuumröhren natürlich auch andere geeignete Einrichtungen, beispielsweise Feldeffekteinrichtungen, verwendet werden.

Claims (1)

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Patentansprüche:

1. Signalmultiplikator zum Erzeugen eines elektrischen Aus gangs signal s, das dem Produkt slus einem ersten und einem zweiten elektrischen Eingangssignal proportional ist, wobei ein erster Strom i erzeugt wird, dessen Stromstärke dem Momentanwert des ersten Signals im wesentlichen linear proportional ist, und ein zweiter Strom -i, der im wesentlichen dieselbe Stromstärke und das entgegengesetzte Vorzeichen hat wie der erste Strom, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der erste Strom in Ströme Ιχ und I2 geteilt wird, deren Verhältnis sich mit dem Momentanwert de3 zweiten Signals im wesentlichen linear verändert,

(b) der zweite Strom in demselben Verhältnis in Ströme I4 und

*1 ¹^
I5 geteilt wird, so daß j— » ψ-

(c) und als das genannte Ausgangssignal ein Signal erzeugt wird, das den Strömen Ιχ + I2 + Ij - I4 proportional ist.

2. Signalmulfciplikator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(d) vor dem Teilen des ersten Stroms i in die Ströme I^ und I2 ein Gleichstrom I zu dem ersten Strom addiert wird, worauf der so erhaltene Strom i + I in dem genannten Verhältnis in die Ströme I^ und I2 geteilt wird,

(e) und vor dem Teilen des zweiten Stroms ~i in die Ströme

I4 und I3 der genannte Gleichstrom I zu dem zweiten Strom addiert wird, worauf der so erhaltene Strom ~i+I in des genannten Verhältnis in die Ströme I4 und I3 geteilt wii-~_: 3· Signalmultiplikafor nach" Jnepyuch 1, dadurch

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gekennzeichnet, daß

(d)· eine erste, zweite, dritte und vierte steuersignalabhängige Einrichtung vorgesehen wird, die einander ähnlich sind und je einen Steuersignaleingang, einen Stromeingang und einen Stromausgang haben,

(ej die Stromeingänge der ersten und der zweiten Einrichtung miteinander gekoppelt sind und der erste Strom an diese Stromeingänge angelegt wird,

(f ) die Stromeingänge der "dritten und vierten Einrichtung miteinander gekoppelt sind und der zweite Strom an diese Stromeingänge angelegt wird,

(g) die Steuersignaleingänge der ersten und vierten Einrichtung an einem ersten Punkt miteinander gekoppelt sind, die Steuersignaleingänge der zweiten und dritten Einrichtung an einem zweiten Punkt miteinander gekoppelt sind, und das zweite Eingangssignal zwischen dem ersten und zweiten Punkt angelegt wird,

(h) an den'Einrichtungen eine solche Vorspannung liegt, daß der erste Strom in dem genannten Verhältnis auf die erste und zweite Einrichtung und der zweite Strom in dem genannten Verhältnis auf die vierte und dritte Einrichtung aufgeteilt wird, wenn das zweite Signal zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt angelegt wird, wobei die Ströme an den Stromausgängen der ersten, zweiten, dritten und vierten Einrichtung die genannten Ströme Γχ, I2, I3 und Jüj. sind,

(i) die Tc.r -au^ ^vnge der ersten und dritten Einrichtung so

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miteinander gekoppelt sind, daß sie ein erstes Lastsignal erzeugen, das den Strömen Ιχ + Ij proportional ist, und die Stromausgänge der zweiten und vierten Einrichtung so miteinander gekoppelt sind, daß sie ein zweites Lastsignal erzeugen, das den Strömen I2 + I4. proportional ist,

(j) wobei das erste und das zweite Lastsignal einander gegenpolig sind und zum Erzeugen des genannten Ausgangssignals verwendet werden.

4. Signalmultiplikator nach Anspruch 2, -gekennzeichnet durch

(e) eine erste, zweite, dritte und vierte steuersignalabhängige Einrichtung vorgesehen wird, die einander ähnlich sind und ge einen Steuersignaleingang, einen Stromeingang und einen Stromausgang haben,

(f) die Stromeingänge der ersten und der zweiten Einrichtung miteinander gekoppelt sind und der Strom i+I an diese Stromeingänge angelegt wird,

(g) die otromeingänge der dritten und vierten Einrichtungen miteinander gekoppelt sind und der Strom -i+I an sie angelegt wird,

(h) die Steuersignaleingänge der ersten und vierten Einrichtung an einem ersten Funkt miteinander gekoppelt sind, die Steuersignaleingänge der zweiten und dritten Einrichtung an einem zweiten Punkt miteinander gekoppelt sind, und das Zvveite eingangssignal zwischen dem ersten und zweiten Punkt angelegt wird,

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(i) an den einrichtungen eine solche Vorspannung liegt, daß der Strom i+I in dem genannten Verhältnis auf die erste und zweite Einrichtung aufgeteilt wird und der Strom -i+I in dem genannten Verhältnis auf die vierte und dritte Einrichtung aufgeteilt wird, wenn das zweite Signal zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt angelegt wird, wobei die Ströme an den Stromausgängen der ersten, zweiten, dritten und vierten Einrichtung die genannten Strome Ιχ, I2» I3 und I4. sind,

(j) die Stromausgänge der ersten und dritten Einrichtung so miteinander gekoppelt sind, daß sie ein erstes Lastsignal erzeugen, das den Strömen Il + I3 proportional ist, und die Stromausgänge der zweiten und vierten Einrichtung so miteinander gekoppelt sind, caß sie ein zweites Lastsignal erzeugen, das den Strömen I2 + I4 proportional ist, (k) wobei das erste und das zweite Lastsignal einander gegenpolig sind und zum Erzeugen des genannten Ausgangssignals verwendet werden.

5ο Signalmultiplikator nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strom i von einem ersten Stromgenerator und der zweite Strom -i von einem zweiten Stromgenerator erzeugt wird, der dem ersten Stromgenerator ähnlich ist, jeder dieser Stromgeneratoren einen Stromeingang, einen Stromausgang und einen Steuersignalausgang hat, der Stromausgang des ersten Stromgenerators mit den Stromeingängen der ersten und zweiten Einrichtung gekuppelt ist und an dies© Stromeingänge den ersten Stj?oa n&legt, der Stroiaausgang &©a zweiten

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" Stromgenerator mit den Stromeingängen der dritten und vierten Einrichtung gekoppelt ist und an diese Stromeingänge den zweiten Strom anlegt und das erste elektrische Signal zwischen den Steuersignaleingängen des ersten und zweiten Stromgenerators angelegt wird.

6. Signalmultiplikator nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strom i von einem ersten Stromgenerator und der zweite Strom -i von einem zweiten Stromgenerator erzeugt wird, der dem ersten Stromgenerator ähnlich ist, die Gleichströme I die Ruheströme der genannten Generatoren sind, jeder dieser Stromgeneratoren einen Stromeingang, einen Stromausgang und einen Steuersignalausgang hat, der Stromausgang des ersten Stromgenerators mit den Stromeingängen der ersten und zweiten Einrichtung gekuppelt ist und an diese Stromeingänge den ersten Strom i+I anlegt, der Stromausgang des zweiten Stromgenerators mit den Stromeingängen der dritten und vierten Einrichtung gekoppelt ist und an diese Stromeingänge den zweiten Strom -i+I anlegt und das erste elektrische Signal zwischen den Steuersignaleingängen des ersten und zweiten Stromgenerators angelegt wird.

7· Signalmultiplikator nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, daß an den Stromgeneratoren eine gemeinsame Vorspannung liegt, die so gewählt ist, daß dis Stromgeneratoren in einem im wesentlichen linearen Bereich iJorer Kennlinie arbeiten, und das erste Signal zu der gemeinsamen Torspannung symmetrisch ist·

8. Signalmultiplikator nach einem der Ansprüche 3 \

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"bis 7i dadurcli gekennzeichnet, daß an den steuersignal abhängigen Einrichtungen eine gemeinsame Vorspannung liegt, die so gewählt ist, daß die genannten steuersignal abhängigen Einrichtungen in einem im wesentlichen linearen Teil ihrer Kennlinie arbeiten, und das zweite Signal zu der zuletzt genannten Vorspannung symmetrisch ist.

9« Signalmultiplikator nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer ersten und einer zweiten Belastungsimpedanz versehen ist, die einander gleich sind, die miteinander gekoppelten Ausgänge der ersten xaxi dritten Einrichtung mit der einen Klemme der ersten Lastimpedanz so verbunden sind, daß diese eine erste Lastspannung erzeugt, die miteinander gekoppelten Ausgänge der zweiten und vierten Einrichtung so mit einer Klemme der zweiten Lastimpedanz verbunden sind, daß diese eine zweite Lastspannung erzeugt und diese Lastspannungen einander gegenpolig sind und zum Erzeugen des Ausgangssignals verwendet werden.

10. Signalmultiplikator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Belastungsimpedanz, die einander gleich sind, in Eeihe an einem Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, die miteinander gekoppelten Stromausgänge der ersten und dritten Einrichtung über die hintereinandergeschalteten Belastungsimpedanzen mit den miteinander gekoppelten Strom-,ausgängen der z.-eiten und vierten Einrichtung verbunden sind iind der Verbundimgspunkt mit den Stromeingängen der Stromgeneratore:!'} rt-elx-opelt ist.

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H₀ Signalmultiplikator nach, einem dor Ansprüche 3 bis iO, dadurch gekennzeichnet, daii die steuersignalabhängigeη Einrichtungen vier ähnliche Transistoren sind, deren Emitter dis Gtromeingänge, deren Kollektoren die Stromausgänge und deren Basen die Steuersignaleingänge· bilden.

12. Signalmultiplikator nach einem der Ansprücne 5 bis 10, dsdurch gekennzeichnet, daß die steuersignal-"}!:hängigen einrichtungen vier ähnliche Transistoren sind, jed^r der Stromgeneratoren einen Transistor umfaßt, die Transistoren der Stromgeneratoren einander ähnlich sind, die ot-romeingänge von den Emittern, die .otromaus-^ängenvon den Kollektoren und die Steuersignaleingänge von den Basen der genannten Transistoren gebildet werden, und mit dein. Dritter jedes Stromgeneratortransistors ein Glied von hoher Impedanz verbunden ist, damit eine hohe .ius gang simp ed an ζ vorhanden is-t„

IJo Signalmultiplikator nach einem der Ansprüche 3 bis lö, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignal abhängigen Ainrichtun-Ten vier ähnliche Vakuumröhren sini, deren Kathode die -Stromeingänge ,. deren anöden die .Stroiiiausi^:';Mn_:!;e und deren Gitter· die Steuersignaleingängt sind,

. -._. 1^·. Signalmultiplikator nach Anspruei; 13, d-(durch gekennzeichnet, daß die Vakuumröhren Trioden sind.

1-3» Multiplikator _haca einem der Ännpriicüe ^vj biö 10, dadurch gekennzeichnet, daß die steuersi^nalMbnänglnen Einrichtungen vier einander ähnliche Vakuuuiräiiren sind, jeder der ütromgeneratoren eine Vakuumröhre umfaßt, die Röhren der Stroiiigener'itoren einander -'hnlich sind, die ^v';troiMt?inpänge

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von den Egtho^ea, die Stromausgänere von den Anöden und Ale Steuer ^irn^lein-ränge von den. Gittern der Bohren gebildet ■•/ordön v-id mit Ίθτ· E-'thoc^o jeder C-troniseneratorrolire ein Glied hoher Impedanz verbun-len ist, so daß eine hohe Ausg-in3-impedanz erhalten wird.

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