DE1937421A1 - Integrierte frequenzselektive Schaltung und Demodulator - Google Patents

Integrierte frequenzselektive Schaltung und Demodulator

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DE1937421A1
DE1937421A1 DE19691937421 DE1937421A DE1937421A1 DE 1937421 A1 DE1937421 A1 DE 1937421A1 DE 19691937421 DE19691937421 DE 19691937421 DE 1937421 A DE1937421 A DE 1937421A DE 1937421 A1 DE1937421 A1 DE 1937421A1
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output
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frequency
circuit
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Grebene Alan B
Camenzind Hans R
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Description

Signetics Corporation, · Sunnyvale, Kalif.(V.St.A.)
Integrierte frequenzselektive Schaltung und Demodulator.
diese Anmeldung wird dia Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Serial No. 748 349 vom 29. Juli 1968 in Anspruch genommen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte phasenselektive Schaltung und Demodulator, und insbesondere auf eine Schaltung dieser Art, die einen phasenverriegelten. Regelkreis oder eine Regelschleife enthält. Die erfindungsgemäße Schaltung verwendet einen Regelkreis, der unter der Bezeichnung phasenverriegelte Schleife (phase locked loop) bekannt ist. Schleifen dieser Art sind an sich bekannt Und beispielsweise in einem Buch von Floyd H. Gardner mit dem Xitel "Fhaselock Techniques" (zu deutsch etwa; Techniken der Phasenverriegelung), herausgegeben 1966 von John Wiley & Sons beschrieben ist. Eine phasenverriegelte Schleife dieser Art wird für bestimmte Systeme wie beispielsweise in der Luftraum-FernmeBtechnik verwendet. Die große Anzahl der für den Einsatz des phasenverriegelten Streifensystems
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' erforderlichen Schaltungselemente lassen dieses System jedoch als wenig geeignet und inabesondere für handeisgängige Nachrichtenanwendungen in einer sich von selbst verbietenden Weise als zu teuer erscheinen.
Auf dem Gebiet der kommerziellen Nachrichtentechnik haben integrierte Schaltungen.keine große Verbreitung gefunden, da die einzelnen integrierten Bauteile dieser Schaltungen eine normale Toleranz von plus oder minus 20# aufweisen· Das ist auf die Eigenheiten des Herstellungsverfahrens für integrierte Schaltungen zurückzuführen. Es haben sich auch kleinere Toleranzen erzielen lassen, jedoch nur unter erheblichem Kostenaufwand. In Anbetracht der Toleranzbeschränkungen ist daher die Verwendung integrierter Schaltungen zum Beispiel in nachrichtentechnischen Empfängern nicht zweck mäßig, da beispielsweise die Zwischenfrequenakooponenten
: eines derartigen Empfängers normalerweise eine innerhalb
t - ■-■'" -
Ι 0,19ε liegende Genauigkeit haben müssen.
Aufgabe der Erfindung ist allgemein, ein· frequensselektivt Schaltung, und inebesondere, eine frequenzselektiv« Schaltung in integrierter Form zu schaffen, welche eine ge- : n&ue Demodulation unter Verwendung integrierter Bauteile ermöglicht, deren Toleranzen innerhalb eines für integrierte Schaltungen typischen Bereiches liegen. Die frequenzselektiv^ Schaltung soll weiterhin eine hohe Stabilität besitzen, die ausgewählte Frequenz soll innerhalb eines T©rhältniemäßig großen Bereiches veränderlich sein und die Schaltung soll
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keine induktiven Elemente benötigen.* SohlieBlißh soll die frequenseelektive Schaltung verbesserte Storsperrungseigenschäften auf weisen und die Eine teilung oder Auswahl von Prequensen mittels eines einsigen abgestiften Elementes gestatten«, .
Zur Lösung dör gestellten Aufgabe tfird aine fi?equett2-eelelrfciv© Schäl tang"' vorgeschlagen, die' ©rfindungsgeäiäß innerhalb eines vorbestimmten Bereich®© auf eiü, Eingangs signal an~ spreolibar ist und ein Ausgangssignal liefern kann, des sein itequQiiE idöhtiBoh ist zu der irequens flös Eingangs signals« 3)1θ SGÄartuagJ weist ein halbleitondss Substrat und einen ' . ßpannungßgerθgeltön Oßgillator auf, der ein Signal abgibtf άβραβη ^requens der Spänniingsgröße eines eingangseeitig'eri Steuerßignalß ©ntsprioht* Ein ^äaß©a^ergleiotier\rBrgleicht die Phase äeö van dätf^spaniiungsgerögelfen ÖssÜlator gebenen Sigäalß iait der ihase des lingangssignals und fert ©in Differensssignal^^as diei $haeendiffBrena zwischen den beiden Signalen anEe.igt« Eine· mit dem Phaeenvergleicher geklöppelte forrichtung filtert das Differenssignal und liefert; ein gefiltertes Ausgangssignale Dieses Ausgangssignal ist das Steuersignal, der frequenaselektiven Schaltung. Der s^annungsg^regelts Oszillatorf der PhasenYergleicher und die !filtervorrichtung weisen jeweils mehrere elektrische Schaitungselemente auff Der überwiegende Anteil dieser Schaltungselemente ist in das halbleitende Substrat inte-
8AD ORJQJNAI.
griert und lrat eine Toleranzsehwankung größer als 10$.
Die integrierte frequenzselektive Schaltung ist erfin- , dungsgemäß gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper, einen an dem. Halbleiterkörper angeordneten Eingangsanschluß zum Empfang eines Eingangssignals, einen an dem Halbleiterkörper angeordneten Ausgangsansehluß für ein Ausgangssignal, , einen an dem Halbleiterkörper angeordneten und einen ersten und zweiten Eingang, sowie einen ersten und aweiten Ausgang aufweisenden Phasenvergleicher, den ersten Eingang des Phasenvergleichers mit dem Eingangsansohluß verbindende Mittel, Vorrichtungen einschließlich eines Tiefpassfilters, welche den Ausgang des Phasenvergleichers mit dem Ausgangsanschluß verbinden, wpbei der Tiefpassfilter aktive Elemente und deren Wlderstandselemente aufweist, die sämtlich, innerhalb dee Halbleiterkörpers ausgebildet sind, einen spannungsgeregelten und auf dem Halbleiterkörper angeordneten Oszillator mit einem Eingang und einem Ausgang, sowie mit Vorrichtungen, durch welche der Eingang" des spannungsgeregelten Oszillators mit dem AuBgangBanBciiluß verbunden ist, Torrichtungen, .we 1-ehe den Ausgang des spanntingsgeregelten Oszillators mit dem sweiten Eingang des Pnaaenvergleichers verbinden« wobei der spannungsgeregelte Oszillator meixcere aktive Elemente und mehrere'WioerstanaBelemente aufweist, ·die sämtlich, inner« iialb des•"".■jiäililiö-JtterfeSiipere; ausgebildet siaä und der lJhasen~ vergleiclier dag-u flient,. die Phase des Eiitgangesignals an dem Eingangs ans ehluß mit .der; Phase fles Signals au vergleiel3.en? : das am 'Aissgang äes spanEiuagsgeregelteii Oszillators abgegeben
8AÖ0RJGJNAL
wird, und eine Ausgangsspannung zu liefern, die ein Maß ist für die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem von dem spannungsgeregelten Oszillator abgegebenen Signal, und durch Kopplungsmittel einschließlich des Tiefpassfilters, welche dazu dienen, den Ausgang des Phasenvergleichers mit dem spannungsgeregelten Oszillator zu koppeln und den Oszillator so zu steuern, daß seine Frequenz der Frequenz des Eingangssignals folgt, wobei der Phasenvei? gleicher, die Kopplungsmittel und der spannungsgeregelte Oszillator eine phasenverriegelte Schleife "bilden und der Tiefpassfilter dazu dient, rasche Frequenzänderungen auszufiltefn, damit sich die phasenverriegelte Schleife effektiv auf das Eingangssignal aufschalten und dieses demodulieren kann. ,
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.
Pig. 1 ist ein Blockschaltbild einer frequenzselektiven Schaltung nach der Erfindung.
Pig. 2 ist ein schematischer Schaltplan der Fig. 1. ,Fig. 3 ist ein vereinfachter Aufriß einer integrierten Schaltung, welche dem Schaltplan der Fig.. 2 entspricht.
Fig.4A ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3 und zeigt einen Typ einer integierten Schaltung. :
Fig.4B ist ein Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3 und zeigt einen anderen Typ einer integrierten Schaltung. \ 009809/1072
Pig. 5A ist ein Blockschaltbild einer gegenüber der
Ausführung der l?ig. 1 abgeänderten Ausführung.
Pig, 5B ist ein sehematiseher Sehaltplan entsprechend einer Abänderung der Pig. 5A. . -
Das Blockschaltbild der Pig. 1 zeigt eine Anordnung, die auf diesem Gebiet als phasenverriegelte Schleife bezeichnet wird. Die Schleife besteht aus drei G-rundkomponenten: einem Phasendetektor oder Vergleicher 10, der mit einem Tiefpassfilter 11 in Reihe geschaltet ist, welcher seinerseits über einen Verstärker 12 mit einem spannungsgeregelten Oszillator 13 gekoppelt ist. Der Phasenvergleicher 10 vergleicht die Phase eines periodischen Eingangssignals V^ mit der Phase des Ausganges Vp des spannungsgeregelten Oszillators 13. Die
-■■-. ■ - · ' ■ '■- " ■ ■ v
Ausgangsspannung V0 des Vergleichers 10 ist ein.Maß für die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal Y. und Yp. Die Größe von V0 hängt ab von der Anzahl der Pehlervolt pro Ein-
heit der Phasendifferenz, für welche der Phasenvergleicher •ausgelegt ist. Wenn die beiden, miteinander verglichenen Signale V,. und V2 die gleiche Prequenz aufweisen, ist die Pehlerspannung VQ proportional der Phasendifferenz zwischen den beiden Eingängen. Aus diesem Grunde wird das System als "verriegelt" bezeichnet.
Wenn die Prequenz des Eingangssignals V-j sich langsam
verändert, ergibt sich eine Pehlerspannung V niedriger
Prequenz. Diese Pehlerspannung wird durch den liefpassfilter 11 durchgelassen, durch den Verstärker 12 verstärkt und dann
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an den spannungsgeregelten Oszillator 13 angelegt. Dieser korrigiert die !Frequenz des Bezugssignals Yp in einer solchen Weise, daß dieses an. das eingehende Signal J^ angepaßt wird und diesem folgt. Daher ist die gefilterte und verstärkte Korrekturspannung Ya ein Maß der Frequenzabweichung von dem GleichgewiohtsEuatand des Systems« In frequenzmodulierten öder FM-Systsmen stellt T daher die gewünschte demodulierte Ausgangsspannung dar, welche die von dem eingangsseitigen Irägersignal getragene Niederfrequenz- oder Tonfrequenz— information enthält« Daher hat die öiasenTerriegelte Schleife die Doppslfunktion einer Ifrequenzselektion oder Ifrequenzal)-stimmig und der Demodulation„
^ *iird infolge des Vorhand ens eins
des 3!i©£p&Bsfilters 1.1; innerhalb der Sehleife erzielt. Jede Eingangsfr©quensf die sich ion der Frequenz Yp ^eß spannungsgeregelten Oszillators 13 erhelblich unteir sehe id et,, erzeugt eine Hocihfrβquena-lehlerspannung, Y_., In diesem, lalle wir.d der Ausgang des .Äasfa^e.rgle.ichers 10 ausgefiltert oder durch den Tiefpassfilter ;11 gesperrt und erscheint daher nieht am Aufgang« A^f -äliasen "Gründen spricht das System . nur auf diejenigen PreqmenEen ans die der astafeilen Eigenfrequeas des spamaiEigsgeregelten Ossillators 13 vox dem
.-f. "-;, . .-: ■ ....-' ■- ■■,.;.". ,. - . ,.-- sehr- nah© sind Anlagen* des IniOrsations'eijig'atigssIgnals S^/wä&. schal -te t sieh OaMr'' nut-' auf diesesr Signal 'auf« Da das liltsr "die"-' Wirkung ftat? öle Ö'öhtLeiföii- oäer'-"itliÄiaüfve'rstärlEung'-'-zu ^ ·=
' köiitieä.; ' ggt* zur' Yeräiiäe-rinig'■ der''umlaufverstär*
kung auch Pilter verwendet werden, deren Kennlinien von denen eines einfachen Tiefpassfilters abweichen*
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß sich die phasenverriegelte Schleife, sobald sie ein starkes Signal aus~ wählt, auf dieses Signal aufschaltet oder auf dieses verriegelt. Als praktische Auswirkung ergibt sich daher ohne Verwendung von Präzisionskomponenten die Auswahl eines engen.Irequenzbereiches. Keiner der vier, die Schleife bildenden Bausteine, nämlich der Phaseiivergleicher 10, der Tiefpassfilter 11,-. der Verstärker 12 und der spannungsgeregelte Oszillator 13 muß auf einen genauen Wert eingeötellt sein, da sich die Schaltung selbsttätig auf die gewünschte !frequenz einstellt.
Von besonderem Interesse ist, daß sich die erfindungsgemäße phasenverriegelte Schleife besonders gut in der 3?orm einer ebenen monolithischen-integrierten Schaltung ausführen läßt, da keine engen Toleranzen erforderlich sind. Wie bereits ausgeführt, liegt die mittlere Toleranis in einer unter vertretbaren Kosten hergestellten integrierten Schal·· tung in einem Bereich von plus oder minuo 20^« Pig* 2'ist ein schematischer Schaltplan des Bloeksohaltbildes der Fig* ■und zeigt eine Schaltung, die sich für die integrierte Bau-; weise eignet. Jig* 2 ist in ?ig/ 3.In. integrierter Bauweise dargeBteiltf .wobei die eingelnen Komponenten in eiitsprecliea.-'· der Weise bezeichaet sind»
00 S 8 09/10?.;
ORIGINAL
Wie sich, insbesondere aus Fig, 2 ersehen läßt, weist der spannungsgeregelte Oszillator 13 die Trans is torkomponenten T1, T2, T3 und T4 und den Feldeffekttransistor I1I auf. Der Schaltungsaufbau des Oszillators 13 entspricht einer Wienschen Brücke und die Spannung V„„„ ist an die Steuer-
* aus- '
elektrode des Feldeffekttransistors Fi gekoppelt, um die Ausgangsfrequenz des Oszillators an der mit Vp bezeichneten Leitung festzustellen. In der Wienschen Brückenschaltung erfolgt die Regelung der Ausgangsfrequenz Vp der Brücke durch Veränderung der Umlaufverstärkung der spannungsgeregelten OszillatorSchaltung. Die Umlaufverstärkung ist proportional dem Quotienten aus der Menge, welche durch die Mebenschlußkombination der Widerstände R5und R6 dar-
durch gestellt wird, und der Menge, welche/die Nebenschlußkombination des Quellentzugswiderstandes des Feldeffekttransistors Fi mit Widerstand R3 dargestellt wird, welcher im Hebens chliiß zu der Steuerelektrode und der Entzugszone des Transistors F1 liegt. Da"der Nenner dieses Quotienten durch den Quellentzugswiderstand Fl festgelegt ist, kann die Umlaufverstärkung durch Veränderung dieses Widerstandes gesteuert werden, indem die an die Steuerelektrode von F1 angelegte Vorspannung verändert wird. Diese Vorspannung an der Steuerelektrode wird natürlich durch die Spannung V„„o gesteuert. Dadurch verhält sich "der
aus
Feldeffekttransistor F1 wie ein veränderlicher Widerstand, welcher die Emitter der bipolaren Transistoren T1 und T2. miteinander.verbindet.
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Wie sieb, aus der Schaltung der Pig. 2 insbesondere ersehen läßt, dient der Transistor T3 zur Dämpfung innerhalb des Rückkopplungsweges von der Verstärkerstufe T2. Der Transistor T4 dient seinerseits zur Dämpfung des übrigen Teils der Schaltung gegenüber dem Ausgang Vp und verhindert dadurch Aufladungseffekte am Ausgangsanschluß. Die Schwingungsamplitude wird durch die Sättigung und die örenzfrequenz der Verstärkerstufe T2 festgelegt. Die Schalt- \ kreise können innerhalb symmetrischer Versorgungsspannungsbereiche von 3 bis zu 12 Volt betrieben werden, Das obere' Ende des Spannungsbereiches wird durch die Abfallkennlinien und die Eigenschaften der bipolaren Transistoren bestimmt.
Ein bedeutender Vorteil des für den spannungsgeregelten Oszillator13 verwendeten Schaltungsaufbaues besteht darin, daß der Feldeffekttransistor den Eingang der Steuerelektrode isoliert, an welchen das zur Spannungsregelung dienende Signal V,__ von dem übrigen Teil der Schaltung angelegt
auS
l· wird. Daher entstehen keine Probleme mit einer Gleichspannungs-Vorspannung. Die Schwingungsfrequenz wird lediglich durch Veränderung der Wechselspaiuiungs-Umlaufverstärkung des epannungsgeregelten Oszillators 13 geändert.
Die astabile Schwingungsfrequenz des spannungsgeregelten Oszillators 13 wird durch das Produkt aus der Menge der Febenschlußkombination der Widerstände R5 und R6 und aus der innerhalb der Schaltung infolge der an Transistor T2 zwischen Kollektor und Basis vorhandenen.parasitären Kapazität auf-
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tretenden lapaaität in Verbindung mit den Werten des Wider- ; Standes R1 und des Kondensators G1 ■bestimmt* Der Kondensator 01 ist mit der Schaltung durch eine dickere schwarze Linie verbunden, da er sich normalerweise außerhalb der integierten Schaltung "befindet und lediglieh mit dieser verbunden ist; Obwohl sich, der Kondensatqr C1 leicht integrieren Hesse Wird er vorzugsweise bei derzeitigen integrierten Schaltungen ia der Form einer getrennten äußeren Komponente ausgebildet. Wenn er jedoch integriert werden soll* kann ar ©nt- \ weder als pn-Flächenkohdensator oder als Metalloxid ~Sili 2§ittm-Kanaensator ausgeführt werden.;
Der Phasenvergleiehßr 10 vergleicht die Eingangsspannung Y] mit der von d®m spannungsgeregelten Oscillator 13 abgegebenen Spannung Yp* ^ör fehlerapannungsausgöitg T wird von den Kollektoren der !Transistoren T5 und 26 abgegriffene In allgemeiner Hineicht ist eine Plmsenvergleicherschältung typieeherweisö eine Yervielfacher- oder Multiplikatorschaltungg in \ielch.er die beiden, miteinander zu vergleicaeaden '■"'-Signale V1 und T9 eÄektiv miteinander multipliziert werden. Daa Ausgangssigiialire "besteht dairn aus "dem Produkt der beiden Signale und hat die Fon mehrerer: Summen·» und rengifrequenjskomponenten« Yienn die "beiden Irequenssen zueinander identisch sind, hat die niedrigste irequenskoiaponente $er fehler spannung die l?requens null? d.h. es ergibt sich ein GIeichap.aimunga-Jfehlersignal.. Wenn die phasenverriegelte ' 'Schleife, .mit einem Signal verriegelt bzw* auf dieses aufge~
BAD OftJGJNAL
Behaltet ist, arbeitet sie dann mit diesem Gleichspannungs-Fehlersignal. Wenn dem Phasenvergleicher-die beiden Signale gleicher Frequenz zugeführt werden,.liefert er eine Gleichspannungs-· Ausgangsspannung V .welche die Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen misst, wenn die Frequenzen gleich Bind. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung folgt dann jeder Niederfrequenz- oder Tonfrequenzmodulation des Eingangsträgersignals«
Insbesondere ist das Aus gange signal YV, des spannungsgeregelten Oszillators 13 mit der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors F2 gekoppelt, welcher seinerseits zwischen den Emittern der Transistoren 15 und T6 liegt. Diese Verbindung ist ähnlich der Verbindung des spannungsgeregelten Oszillators 13» mit der Ausnahme, daß der Feldeffekttransistor F1 den Widerstand R3 im Nebenschluß hat, während bei dem Ehaeenvergleicher kein Nebenschlußwlderstand vorhanden ist. Die Verstärkung der RraBenvergleicherBtufe wird jedoch durch die Spannung an der Eingangeklemme von F2 gesteuert. Zusätzlich zu dem dynamischen Quellentzugßwiderständ des Feldeffekttransistors F2, welcher die Verstärkung feetleg^, stellen die Widerstände R12 und R14- weitere Faktoren dar. Die Empfindlichkeit des Vergleichers nimmt zu, weim die Widerstände Rt2 und RI4 in bezug auf den Quellentzugßwiderßtand von 12 groß geiaacht werden« Genau wie im Falle des spanntingsgeregel-fceii Osaillatore 13 kaiin der PhaBenvergleieher innerhalb eines großen Bereiches .von Versorgteigsspannun-gen betrieben werden,
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Die Anschlußklemme, welche mit GIeichspannungs-Verschiebungseinstellung bezeichnet und mit dem Phaseneingang des Transistors T6 verbunden ist, dient dazu, den gesamten Gleichspannungspegel der phasenverriegelten Schleife au verändern. Auf diese Weise erfolgt die Grobabstimmung des spannungsgeregelten Oszillators 13. .
Die Ausgangsfehlerspannung V des Phasenvergleichers
10 wird von den Kollektoren der beiden Transistoren T5 und T6 abgegriffen. Dadurch ergibt sich die doppelte Verstärkung im Vergleich zu dem Fall, daß der Ausgang nur von dem einen dieser Anschlüsse abgenommen wird.
Anband der Kombination von Tiefpassfilter 11 und Verstärker 12 läßt sich ersehen, daß die beiden Ausgänge von V mit den Basiseingängen der Transistoren T7 und T8 verbunden sind. Auf diese Weise wird die volle Verstärkung des Phasenvergleichers 10 verwendet. Die'Transistoren T7 und T8 sind Spannungsverstärker .(Voltverstärker). Der Transistor T9 bildet eine gepufferte Ausgangsstufe in bezug auf die Ausgangsklemme V„„o In der bevorzugten Ausführungsform
aus. r ■
wird die Ausgangsspannung von der unteren Anschlußklemme des Widerstandes RI9 abgenommen, welcher mit dem Emitter des Transistors T9 verbunden ist. In Abhängigkeit von der gewünschten Pegelhöhe der Gleichspannung können auch Abgriffe für Zwischenspannungen vorgesehen werden.
Die gewünschte Strombeaufschlagung und die Gleiehepannungswerte werden mittels Stromquellen erhalten» die von den
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'■ iiO QA8-.' - -
Transistoren T10r TU und Tl-2 geliefert werden»
33er Tiefpassfilter 11 ist in die Verstärkerschaltung einbezogen durch Yerwendung eines Kondensators G-, der zwischen dem Kollektor des Transistors T8 und der Spanniings-* quelle +V.. gekoppelt ist und gleichzeitig den Widerstand
CG.
R18 überbrückt. Die Bandbreite des Filters wird durch den Kehrwert des Produktes aus Lastwiderstand des Transistors T8, der den Widerstand Ri8 aufweist» und aus der Kapazität des Kondensators C bestimmt* Der Kondensator C muß bei Verwendung in einer Demodulationsschaltung für Mederfrequenaen infolge der für die Niederfrequenzen erforderlichen großen Bandbreite verhältnismäßig groß bemessen sein* Wenn die erfindungsgemäße Schaltung dagegen für unterschiedliche Irequenzmodulationsanwendungen eingesetzt wird> bei denen die Bandbreiten in der Größenordnung von 70 kHz bis zu 100 kHz betragen, reicht die vorhandene parasitäre Kapazität der Elemente dazu aus, einen zusätzlichen Kondensator wie beispielsweise 0 überflüssig zu machen. Beispielsweise haben Transistoren typischerweise ein endliches Produkt von Verstärkung und Bandbreite. Wenn daher die Spannühgs*- verStärkung einer Stufe vergrößert wird, hat das zur Folge, daß die Bandbreite dieser Stufe geringer wird. Da die Verstärkung des hier zur Rede stehenden Verstärkers verhalt-' nismäßig hoch ist, bedeutet das, daß die Bandbreite, ins·* besondere für Prequenzmoäulätiön äus]feiohend eng ist.
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Daher kann Je nach Verwendungszweck der Schaltung ein äußerer Kondensator wie C1 für den spannungsgeregelten Oszillator 13 oder wie G in lOrtfall kommen, so daß die gesamte j in Pig. 2 dargestellte Schaltung monolithisch und ohne äußere Komponenten liergeBtellt werden kann.
Die in'Fig. 2 dargestellte Schaltung erfordert keine Präziöionskomponenten, Bandern nur eine äußere Einstellmoglichkeit, d.h. die Yerschiebungseinsteilung, durch welche der Gleichspaimungspegal der Schaltung eingestellt wird. Alle aktiven Elemente und Widerstände der Schaltung können mittels herkömmlicher ebener epitaxialer oder dielektrischer Isoliertechniken monolithisch ausgeführt werden, wozu nur bekannte Verfahren zur Diffusion von Widerständen und Tranßietoren erforderlieh sind*
Der in Pig. 3 dargestellte Aufriß einer integrierten Schaltung, welche die in Fig. 2 dargestellten, einzelnen Komponenten enthält, besteht aus einem Schaltungsplättchen oder Substrat und hat eine Große voii angenähert 2 mm mal 1,7 ma. Die metallischen Yerbinäungen, welche die verschiedenen Widerstände und Transistoren der Schaltung miteinander verbinden, sind schraffiert dargestellt.-.- Die alphanumerischen Bezeichnungen entsprechen denen der Fig. 2. Wie bereits, oben erwähnt, sind die Kondensatoren 0„ und -Gi die eiÄzigen äußeren Komponenten. Die Werte dieser Kondensatoren betragenj.
C1 * 10 pP
G=T 000 pE. '_ . '
_ - JL. ■ " *■
Die angelegte Spannung 7 liegt innerhalb des Bereiches
. CC
± .sechs'-Volt b.is zu + neun Volt. Die Werte der Widerstände betragen typische rweiee (in kOhm)j
R1 = 1,0 R12 β". 10,0
R2 = 10,0 R13 = 10,0
R5 = 0,370 RH = 10,0
R4 = 10,0 R15 --S-- 10,0
R5 = 9,0 RI6 s 2,0
R6 = 5,5 R17 = 8,5
R7 = 8,5 -_'. ■": R18 m 8,5
R8 = 2r5/; ." R19 .-■'-■■ 4,5
R9 = 1,5 R20 = 2,0
R10 β-' 6,5 R21 = 2,5
Rt 1 V 2,0
Wie bereits erwähnt, läßt ßieh die in Pig. 3 äargestellte integrierte Schaltung mittels^^ herköinDilicher ieqnniken heretellen, wobei ssur Isolation entweder eine Isolation des diffundierten Syps oder eine dielektrische Isolation verwendet wirt. Ein typischer Querschnitt entlang der Linie 4-4 zeigt in den I*ig. A-A und 4B beide Isolationstypen. Diese Querschnitte sind gleichzeitig typisch für die Schaltung- und zeigen jeweils einen Eeläeffekttransietor, einen Widerstand und einen bipolaren TranBistor*
Der Querßchnitt der Fig. 4A zeigt diffundierte Isolation. Der Peldeffekttransistor H ist rom li-Kanal-Plächentype Das .ist lediglich eine Sache der linfachheit, wobei sich Metall-
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oxid-Silizium-Transistoren in gleicher Weise verwenden lassen und mit den bipolaren Transistoren vertraglich sind. Der Kanal des Feldeffekttransistors ist der Bereich unterhalb der als Steuerelektrode bezeichneten Metallelektrode. Anhand der Pig. 3 läßt sich die kreisförmige Ausbildung der Steuerelektrode ersehen. Der Kanalbereich selbst besteht aus n-Material und ist ein epitaxialer Belag» der auf dem darunter liegenden p-Substrat gewachsen ist, welches als Isolation dient. Im Vergleich dazu ist der darunter liegende p-Substratbelag des Feldeffektransistors der Fig. 4B durch einen dielektrischen Isolationsbelag aus Siliziumdioxid isoliert, der seinerseits auf einem Substrat aus polykristallinen! Silizium gebildet ist. Der Steuerelektrodenbereich beider Ausführungen ist ein p-^Bereich und, die Entzugszone ein n+Bereich.
Der Transistor T2 ist vom bipolaren Typ und wird in einer Weise hergestellt, die mit der des Feldeffekttransistors verträglich ist. Insbesondere dient das η-Material als Kanal des Feldeffekttransistors und stellt "-den mit c bezeichneten Kollektor des Transistors dar. Der mit b bezeichnete p-BäBisbereich des Transistors wird gleichzeitig mit dem p^Steuerbereich der Steuerelektrode diffundiert. Schließlich werden die n+Quell- und Entzugszonen gleichzeitig mit dem mit e bezeichneten Emitter des Transistors T2 diffundiert. Daher sind zur Herstellung des Feldeffekttransistoraufbaues keine zusätzlichen Diffusionsschritte erforderlich, die über die
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zur Herstellung eines typischen bipolaren npn-Aufbaues erforderlichen Verfahrensschritte hinausgehen* Das trifft zu sowohl für den diffundierten Isolationsaufbau der Pig. 4A als auch für die dielektrische Isolation der Pig. 4B»
Die Widerstandselemente der integrierten Schaltung werden durch eine p~Diffusion hergestellt, die auch zur Ausbildung der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors als auch des Basisbereichesder bipolarenTransistoren des npn-Typs verwendet wird« Durch dieses Verfahren läßt sich ein Widerstandsaufbau erhalten, der einen spezifischen Flächenwiäerstanä von angenähert 120-150 Ohm pro Quadrat aufweist (der Flächen- oder Plattenwiderstand ist für eine dünne, gleichmäßige Schicht definiert als der Quotient des spezifischen (Massen-)Widerstandes dividiert durch die Dicke. Er ist auf einfache Weise meßbar mittels einer Yierpunktsonde).
Die Wirkungsweise der in den Pig* 2 und 3 dargestellten, phasenverriegelten integrierten Schaltung kann im Hinblick auf die selektive Ausschaltung von Störungen dadurch.verbessert werden, daß in das System eine nichtlineare Begrenzungsvorrichtung aufgenommen wird.
Ganz allgemein hat die phasenverriegelte Schleife eine
einzigartige Fähigkeit sich auf ein Signal aufzuschälten oder mit diesem Signal zu verriegeln und dieses Signal über kleine und langsame Schwankungen zu verfolgen. Wenn das Sig»
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mtl von seinem ^ieichgewichtspunkt abweicht, wird das fehlersignal T6 in der vorstehend beschriebenen Weise durchdas Siefpassfilter und den Terstärker hindurch an die Steuerklenme des spannungsgeregelten Oszillators aage« Itgt> Wenn das BfBtea einen großen sogenannten umlaufverstärkungBgraä aufweist» d.h. wenn das fehlerβignal des BmsenTerglöichers sebx liock verstärkt wird, steht dem . -"/ spamiungsgeregelten Össillatör ein sehr großes Fehlersignal sur Verfügung« Daher'Mmm er eine größere Signalabweichung von einem GleiolägewieHtöpujdct verfolgen· Biese Eigenschaft let aua Festlialten an einem Signal ©rwünsoht, ist jedoch ■ aus dea Grunde SLieht wünecfeaiiBwert, weil jetzt ein unerwünsohtea Signal, dese@a l^öquenE weit.von dem gesuchten; Signal entfernt igt? ti©; S@ll@ife bepiafluBsenkann, da . _
tends FehlersigMal sekr hocfe verstärkt u&d einen hohen ScMei-
erhaltea würde.
ist es erwünscht 9 eine hohe Schleifenverstärkung nur ian®rhall3 eines engen Frequenzbereiches eu haben, so daß die SchwaaSoangefereite dee auegangsseitigen fehlersignals begrenzt ist» Wenn äahereia sehr starkes Signal in die Mhe der Frequenz kommt, mit welcher der spannungsgeregelte Oszillator gf rad e arbeitetι überschreitet das augenblickliche Fehlersignal V nicht^ «inen^ vorbestimmten Betrag, der durch die sogenannten Begrenaungseigenschaften festgelegt ist. . Mit anderen Worten^ das Fehlereignal wird an zwei Bezugs-
punkten zu seinem Gleichgewichtswert begrenzt. Vermittels des Begrenzers erhält daher die phasenverriegelte Schleife ein sehr ausgeprägtes Störsperrungsverhalten, d.h. die Pehlersignale werden trotz sehr großer Störsignale auf festgelegte Amplitudenwerte begrenzt.
Sine erste Aueführung einer Begrenzerschaltung ist in Fig. 5A dargestellt, in welcher die in Kreuzschaltung befindlichen Dioden 21 und 22 mit der Leitung Ve * der phasen-* verriegelten Schleife gekoppelt sind» Diese Dioden sind typischerweise nichtideale Halbleiter-pn^llächenäioden. Derartige Dioden haben eine Zündspannung von angenähert Q,6 Volt in Vorwärtsrichtung· Die and ere Anschlußklemme 4er zueinander parallel angeordneten Dioden ist mit einer vorbestimmten GleichspamiungB-Besugespannung verbunden.
Während des Betriebes kann die SpannungeSchwankung am Eingang des ßpannungsgeregelten Oszillators 13 die Glelch-BeEUgespannung, mit welcher die Dioden verbunden sind, um nicht mehr als die Zündspannung von 0,6 Volt der Dioden überschreiten. Wenn die Signalschwankung größer wird als 0,6 Volt in einer der beiden Polaritäterichtungen, wird eine der beiden Dioden 21, 22 gesundet und legt daher das Signal im Nebenschluß an die Bezugsspammngeqtielle «Dadurch wird die Schleifen- oder Umlauf verstärkung auf den Wert null verringert und gewährleistet, daßäle Frequens des spannungegeregelten Oszillators 13 auf ein Prequeneinterrall beechränkt bleibt, das in einer BeEieiiung zu dem
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fall in einer der beiden Polaritätsrichtungen steht.
Die in ]?ig. 5B dargestellte zweite Ausführung weist die Dioden 21* und 22· in Kreuzschaltung auf, wobei jedoch die andere Anschlußklemme dieser Dioden mit einem Wechselspannungspunkt niedriger Impedanz gekoppelt ist, der durch den geerdeten Kondensator 23 gebildet wird. Der Widerstand 24» der einen Wert von angenähert 10 kOhm aufweisen kann, ist parallel zu den Dioden 21' und 22» geschaltet und liefert einen Kriechstromweg für die Vorspannung der beiden Dioden, so daß bei Gleichspannungssignaleri, für welche der Kondensator 23 einen offenen Stromkreis darstellt, keine der Dioden gezündet wird. Pur große Wechselspannungssignale, die an 7a erscheinen, stellt jedoch der Kondensator 23, praktisch eine Kurzschlußverbindung für die Wechselspannung
dar, wenn die Wechselsparinungsschwankung von V_„_ den Diodenaus
abfall überschreitet* Damit spricht die Ausführung der Fig» 5B auf die Änderungsgeschwindigkeit von V- bei überschreiten des Wertes des Diodenabfalls an. Ein derartiges Begrenzungsverhalten ist vorteilhaft für viele besondere Anwendungsmöglichkeiten.
Begrenzer der in den Fig. 5A und 5B dargestellten Ausführungen können auch anstelle des Tiefpassfilters 11 verwendet werden. Dann filtert oder begrenzt der Begrenzer anstelle wesentlich höherer Frequenzen, die sich durch Störungen von einem benachbarten Erequenzkanal ergeben, die höheren
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• Spannungsamplitudeneehwankungen, die durch Störungen von einem benachbarten Frequenzkanal verursacht werden.
Sie erfindungBgemäß vorgeschlagene Schaltung eignet sich außer für Frequenzmodulation auch zur Anzeige von Amplitudenmodulation und für ungedämpfte Wellenimpulse, wie sie beispielsweise in F%ernsehreiberkode verwendet werden. Im Falle der Anzeige von Amplitudenmodulation ist die erfindungsgemäße Schaltung in der Lage, am Ausgang des spannungsgeregelten Oszillators ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz identisch ist zu der Frequenz des amplitudenmodalierten Trägersignals. Die beiden Signale können dann verglichen werden, um diegewünschte Amplitudeninfor— mat ion zu erhalten. Ungedämpfte Wellenimpulse· lassen sich leicht entschlüsseln, da die Schaltung zunächst der ungedämpften Welle näehgeführt wird und bei Abwesenheit eines Impulses frei schwingen kann.
Kurz gesagt wird durch die Erfindung eine frequenzse—
> - ■■■■■■■ - ■■ : - ... ...-. - ' .. .:.■■■■■■
lektive Schaltung geschaffen, die sich unter Berücksichtigung der großen !Eoleranzerfordernisse für heutige integrierte Schaltungen integrieren läßt und dabei jedoch eine genaue • Demodulation oder ein Verfolgen eines Eingangssignals ermöglicht. Für die Schaltung sind keine induktive und nur' unter Schwierigkeiten zu integrierende Komponenten erforderlich. Schließlich kajin die Wirkungsweise der Schaltung durch •zusätzliche Begrenzer verbessert werden, so daß eine verbesserte Störungsunterdrückung erhalten wird. '-
"■ν-.*-" 00 9 809/1072

Claims (1)

  1. j» m t ent a η e ρ r ü c h e / ■.-■_.■ -
    1J Integrier tit fjpequenBselektife Schaltung f gekenn-■eiehnet diirch einen Halbleiterkörper, einen an dem HaIbkörper angeordueten Eingangeanschluß Eins Empfang SijigangssignalBj einen an ,dem Halbleiterkörper augeöylaftett Attsgangsaneebluii für ein ,Ausgangssignalr einen öeia Hftll>lQiterkÖrper angeordneten und einen ersten und gf sowie einen ereten und* zweiten Ausgang
    BiasenTergleiciier (10)y den ersten Eingang des PhÄBinverglelohörs alt öem EingangsansciiluJB verbindende Kittel, Torriciitunken ©iüecfelieölich eines Tiefpassfilters : CfI) f 'Wf lob.« - den Ausgang' äes BiasenTsrgleisiiers mit dem AuBgangflanacli.luß T®rbiadenf wobei der !Tiefpassfilter aktive ^lemeaije/und deren Wideret&ndselessate aiifweistf die säiatliob. innerhalb des EalfcleiterJtörpers auagebiidet eind9 einen
    und auf dem Halbleiterkörper angeordneten (13) mit eljaeiB Eingang und einem Ausgang, sowie
    iait Torifiöfetuiigen» durcIi welche der Eingang des epannungsg*r β gelten OßBillatore mit fern Aus gangs ansehluß verlsunäen ist, Torriclitungen» welch© öen Ausgang äea spannungegere-gelten pseillators mit dem aweiten Eingang des Phasenvergleichere Terlinden, wobei d@r epannungßgeregelte Oezillator läehrer© aktive Elemente imS mehrere Widerstandselemente aufweist« die säatlich innernalto des Hallsleiterlcörpers ausgebildet Bind und derJEhaeenveigleicHer dässu dient, die Phase des Eingangssignals an dem Eingangsansehluß mit der
    .■ ' 0Ό9809/1072
    . Phase des Signals zu vergleichen, das am Ausgang des spannungsgeregelten Oszillators abgegeben wird, und eine Ausgangsspannung zu liefern, die ein Maß ist für die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem von dem spannungsgeregelten Oszillator abgegebenen Signal, und durch Kopplungsmittel einschließlich des Tiefpassfilters, welche dazu dienen, den Ausgang desPhasenvergleichers mitdem spannungsgeregelten Oszillator zu koppeln und den Oszillator so zu steuern, daß seine Frequenz der frequenz des Eingangssignals folgt, wobei der Phasenvergleicher, die Kupplungsmittel und der spannungsgeregelte Oszillator eine phasenverriegelte Schleife bilden und der Tiefpassfilter dazu dient, rasche Frequenzänderungen. auszufiltern, damit sich die phasenverriegelte Schleife effektiv awf das Eingangssignal aufschalten und dieses demodulieren kann.
    2. Schaltung nach Anspruch 1, daäurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente und die Widerstandselemente samt— lieh aus Bereichen bestehenr die in den Halbleiterkörper hineindiffundiert sind.
    3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ---aktiven^^ Elemente und die Widerstand s elemente mit Toleranzen von größer als Λ 0$ ausgebildet sein können.
    4. Schaltung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgeregelte Oszillator (13) eine vorbestimmte Eigenschwingfrequenz aufweist und sich die Schaltung innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches, der die Eigen-· frequenz des Oszillators enthält und durch die Filtervor-
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    richtung festgelegt ist, auf die Frequenz eines Eingangssignals aufsehalten und dieser folgen kann,
    5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung einen scharf definierten Frequenzbereich vorgibt,
    6. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung aus einem Widerständskapazitätsnetzwerk besteht.
    7. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung aus einem Begrenzer besteht. ;
    8. Schaltung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzer die Amplitudenausschläge der von dem Phasenvergleicher abgegebenen Ausgangsspannung begrenzen kann.
    9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung die Frequenzabweichungen der von dem Phasenvergleicher abgegebenen: Ausgangsspannung begrenzen kann. -
    10. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung aus einem Frequenzfilter des Tiefpasstyps besteht.
    11. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Filtervorrichtung eine Begrenzungsvorrichtung gekoppelt ist, die dazu dientf dieAmplitudenaüsschläge des
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    gefilterten Ausgangesignals zu begrenzend _. ;
    12. Schaltung nach Anspruch 11f dadurch gekennzeichnet* daß die Begrenzervorrichtung Dioden (21r 22} 21«, 22*) in Kreuzschaltung enthält.
    15. Schaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden mit einer Gleichspannungs-Bezugsspannung gekoppelt sind, so daß die Dioden leitend werden, wenn die Ausschläge des gefilterten Ausgangssignals vorbestimmte Grenzwerte überschreiten.
    14. Schaltung nach Anspruch 12", dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden mit einem Punkt gekoppelt sind, der eine Wechselspannung nieäriger Impedanz führt, so daß die Dioden leitend werden, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des gefilterten Ausgangssignals einen vorbestimmten Wert überschreitet.
    15. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgeregelte Oszillator, der Phasenvergleicher und die Filtervorrichtung in der Eorm eines Regelkreises in Reihe geschaltet sind, der einen verhältnismäßig hohen Verstärkungsgrad aufweist und in welchem die Begrenzungsvorrichtung mit dem Kreis gekoppelt und auf AmplitudenausscliuLäge des gefilterten Ausgangssignals, die vorbestimmte Grenzwerte überschreiten, ansprechbar ist und die Umlaufverstärkung auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert verringern kann.
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    rs ei te
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