DE2060647C3 - In der Frequenz modulierbarer Oszillator - Google Patents

Description

Sperrspannung in einem gewissen Bereich zunächst der veränderbaren Kapazität durch die Oszillatorzunimmt und dann wieder abnimmt. schwingung durch die Einstellung des Gleichstrom-Bei derartigen Frequenzmodulatioriseinrichtungen 55 arbeitspunktes des aktiven Elementes der Oszillatorbesteht immer die Schwierigkeit, eine lineare Modu- schaltung, vorzugsweise eines Transistors, bewirkt lationskennlinie zu erzielen. Dies ist bei Verwendung wird.

von Varaktoren als kapazitäts- und letztlich frequenz- In manchen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft,

ändernden Elementen besonders deshalb problema- wenn der Kapazitätsdiode zur Versteilerung des Antisch, da die Abhängigkeit der Kapazität von der Vor- 60 stieges der Modulatorsteilheit mit der Vorspannung spannung der Diode nicht im erwünschten Sinne er- eine feste Kapazität, insbesondere eine kleinere als die folgt, d. h. so, daß die Frequenzänderung nichtlinear mittlere Kapazität des veränderbaren Kondensators, mit der angelegten Spannung vonstatten geht. Es in Serie geschaltet ist.

wurden zur Kompensation der unerwünschten Kenn- Nachstehend wird die Erfindung mit ihren Vorteilen

iinienkrümmung der Kapazitätsdioden bereits Vor- 65 an Hand von Figuren näher erläutert,
schlage gemacht, um mit entsprechender Frequenz- Die normalerweise gebräuchlichen Kapazilätsdioden

abhängigkeit der die Oszillatorfrequeiw bestimmenden oder Varaktoren, wie sie auch genannt werden, aus Blindelemente die Kennlinienkrümmung auszugleichen. Silizium zeigen abhängig von der Sperrspannung U

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„äherungsweise etwa folgenden Kapazitätsverlauf CIC₀, Nur in einem relativ kleinen Aussteuerbereich kann

wobei C₀ die Kapazität im statischen Arbeitspunkt ist. die Steilheitsabnahme durch linearisierende Netzwerke

C /U+Un\-ⁿ ausgeglichen werden.

= ———— j = ν-» (l) Wenn Steilheiisänderungen auftreten, so kommt

C₀ \ U₀ + Up j 5 eine Linearitätsverzerrung zustande, deren Größe

die Snerrsnanni-ησ im et f ι. ^{durch die} Steilheitsänderung Δ S im Aussteuerbereich

Λ SS; Ä" "■ i^Aus

tordiode. i/o ist die Schwellenspannung der Diode, bei Steuerbereiches angegeben wird, d. h. durch —§- ■

Siliziumdioden im allgemeinen 0,7 V. Die normierte _{!0 Eine jn dnem gewissen Bereich} ^„eh^nde Modu-

Spannung ν isi. lationssteilheit mit größer werdender Sperrspannung

"*■ ^D kann sich aber mit einem Exponenten der Kapaatäts-

v =

+ Ud kennlinie nach F i g. 1 auch dann ergeben, wenn der ^; ™,-_moi c u· v. Exponent für alle Sperrspannungswerte ν kleiner als 2 Der Exponent π st bei normalen Sperrschicht- _Μ^ _Σ einzelner ergibt sich für den Sperrspanvaraktoren mit Süiaum im allgemeinen um 0,5 und _nungsbereich bis v2 in Fi g. 1 mit der Näherung nach nahezu unabhängig von der Sperrspannung bei nor- Gleichung fT> l Ausführungen der Dioden Uleicöung (i)

tr ™t „ ,-et κ*; ™,-_moi c u· v. Exponent für alle Sperrspannungswerte v kleiner als 2

Der Exponent π st bei normalen Sperrschicht- _Μ^ _Σ einzelner ergibt sich für den Sperrspan-

araktoren mit Silizium im allgemeinen um 0,5 und nunssbereich I

nahezu unabhängig von der Sperrspannung bei nor- nteirtmnir m

malen Ausführungen der Dioden. Uleicöung (i)

Es sind aus der bereits eingangs zitierten Durchschrift (»radio mentor electronic«) aur.h Dioden mit

versteuerter Kennlinie bekannt, deren Exponent η " _{Daraus er}gi_bt sich nicht konstant, sondern selbst spannungsabhängig ist. ⁶

Aus Messungen ergab sich ein Kennlinienverlauf, von j l₍*_{r + C}) r c

dem ein Teil in F i g. 1 dargestellt ist. Auf der Ordinate S=-'² * (1 + In v) + —-

Q = v>^l*' ^{+ C)} (5)

UVlU ***** » *-i «-> - - A I y

ist dabei der Wert des. Exponenten η angetragen und ^L

auf der Abszisse die jeweilige an der Diode angelegte _{ßei d2n verwendeten} Silizium-Sperrschichtvarak-

normierte Spannung ν. π und ν sind linear angetragen. _{toren mit verstei}i_ertem Kennlicdenverlauf nehmen die

Im Spannungsbereich bis etwa ν 2 läßt sich der msge- _{Parameter k und c Wert}e an, für die die Steilheit 5 ab

,amt relativ komplizierte Verlauf dieser Kennlinie gut _{der normierten VorS}p_annung Vl zunimmt, durch eine Gerade annähern, die folgende Form haben _{3o £{η gemessenes und} gerechnetes Beispiel hierfür ist

kann. in F i g. 2 gezeigt. Dort sind an der Ordinate die nor-

n = kv + c (2) mierten Werte für die Steilheit S, die Steilheitsänderung

Jfc und c sind dabei Konstanten. Die Kapazitätskenn- ~ und die Frequenz Ω angetragen. Auf der Abszisse

linie hat dadurch folgende Form _{35 ist} ^v _{der Verlauf der nor}mierten Spannung ν angetragen.

C Die einzelnen für das gemessene Exemplar für den

C₀ Verlauf von Ω, S und ^ erhaltenen Ergcbnisise sind

Der Exponent π von solchen versteuerten Kapazi- durch die ausgezogenen Kurven dargestellt. Durch

tätsdioden sollte vorteilhaft einen Maximalwert von *° die gestrichelten Kurven ist ein gerechneter Verlaut

„_max = 1 mindestens erreichen. nach Gleichung (5) unter Zugrundelegung der Wert.

Unter der Annahme, daß die Scliwingkreiskapazität k = 0,44 und c = 0,5 angegeben Ferner sind in der

allein von der Sperrschichtkapazität C gebildet wird, Darstellung die Spannungen vl v2 und v3 angegeben.

tedVauf die Mittenfrequen?/₀ des Oszillators be- Es ist ersichtlich, daß unterhalb ^r normierten ί*an-

tedVauf die q/₀

_zogene Oszülatorfrequei, Ω « ^^^^^^^t

_i Steilheit, der nach v3 wieder in einen Bereich ab-

_{o =} J_ ₌ (H\ ² _{= fv}-«-T nehmender Steilheit übergeht. Ferner ist ersiichtlich,

/o V C₀ j daß die lineare Näherung nach Gleichung (5) fur den

„ 50 Verlauf des Exponenten η oberhalb von ν 2 nicht mehr

n_ (U+UdX* gültig ist. Insgesamt enthält also der Steiiheitsverlauf

^{= v2 =} 7ΓΤΤ~Ί O ein Minimum, einen Wendepunkt und ein Maximum;

\U₀ + Od/ dS . ■

im Wendepunkt ist die Steilheitsänderung -^ bei

Daraus ist ersichtlich, daß mit anderen Exponenten . .

als «== 2 die Frequenz nichtlinear von der Sperr- 55 wachsender Spannung ν positiv

gibt sich also immer eine mit zunehmender Sperr- *° kenn hnie mit beteiligt, ^^f^^^tudef »

spannung abnehmende Modulationssteilheit. Als nor- schwingung hinreicheiri kle "· J° ^" ™\ f ^ ⁱⁿ

mierte Modulationssteilheit oder Steilheit S bezeichnet F . g. 2 darpstrflte Steilheitsverlauf S em. Be. Ve

_aQ großerung der HF-Spannung ergibt sicn eine lMcii

man dabei den Differentialquotienten _d'-. Füi η = 0,5 heitsmittelung um den durch die Vorspannung und ..... ο 65 den Augenblickswert der Modulationsspannung beergibt sicn z. a.: _j stimmten jeweiligen Arbeitspunkt. Für drei Augen- _s _ 1_ v~ blickswerte der Modulationsspannung U_m sind in ~~ 4 F i g. 3 die Verhältnisse dargestellt.

Die F i g. 3 zeigt in ihrem mittleren Teil (F ig. 3 b) schichtkapazitätsdioden, deren Parameter ohne diese einen Arbeitspunkt, der etwa auf dem Wendepunkt Maßnahme nur in einem kleinen Spannungsbereich des Steilheitsverlaufs liegt. Der Augenblickswert der oder an überhaupt keiner Stelle der Kennlinie positive Modulationsspannung ist hier Null. Die eingezeichnete Steilheitsverzerrungen zeigen. Dadurch ist jedoch eine HF-Spannung wird bei symmetrischem Verlauf der 5 Verringerung der Modulationssteilheit in Kauf zu S-Kurve die Steilheit Sb nicht ändern, da die Aus- nehmen.

steuerung nach beiden Seiten gleichmäßig erfolgt, d. h., Ein ausführliches Schaltungsbeispiel für den Oszilla-

die Änderung A S ist bei beiden Extremamplituden tor ist in F i g. 4 dargestellt. Die eigentliche Oszillatorgleich und entgegengesetzt. Im Fall der Fig. 3 a ist schaltung arbeitet hier mit einem Transistor Ts3. Der jedoch die Vorspannung mit dem Augenblickswert der io Oszillator ist in der Art einer Meißnerschaltung trans-Modulationsspannung so, daß der Arbeitspunkt bei formatorisch rückgekoppelt, wobei der Übertrager Ül Sa zu liegen kommt. Dieser Arbeitspunkt liegt beim in der Art eines Spartransformators ausgebildet ist. Minimum der Kennlinie, d. h , die Steilheit steigt zu Der frequenzbestimmende Parallelresonanzkreis bebeiden Seiten an. Die Wirkung der HF-Aussteuerung steht dabei im wesentlichen aus der Induktivität L des äußert sich so, daß die Steilheit S_a auf S_a' vergrößert 15 Übertragers Ül und der spannungsabhängigen Sperrwird. 5a' hat an diesem Punkt die gleiche Größe S wie Schichtkapazität C der Varaktordiode GrI. Die Kollek- Sb. Andererseits ergibt sich, wie in Fig. 3c darge- torkapazität des Transistors ist an sich schon klein stellt ist, beim Arbeitspunkt am Maximum Sc der gegen die Sperrschichtkapazität C und wird, wie erKennlinie bei Aussteuerung mit Hochfrequenz eine sichtlich, in ihrer Wirkung durch Transformation in mittlere Steilheit S_c\ die niedriger liegt als Sc, da zu 20 Ül noch weiter verkleinert. Sie kann bei Berechnung beiden Seiten dieses Arbeitspunktes die Modulations- der Schaltung praktisch vernachlässigt werden. Auch steilheit S wieder abfällt. die Eingangsinduktivität des Transistors zwischen

Die Amplitude der Oszillatorschwingung wird nun Emitter und Basis wird durch den in Reihe geschalteten gerade so gewählt, diiß die Steilheitswerte S₀'', S_c' und Widerstand Ä18 unwirksam gemacht. Die Kapazität die dazwischen liegenden Steilheitswerte alle gleich 25 Cl wirkt als Blockkondensator und ist für den groß werden. Die Steilheit ist dann in diesem Bereich HF-Kreis demzufolge als Kurzschluß zu betrachten, konstant. Die Vorspannung U₀ wird so eingesieiii, daß über das ÄC-Glied R\9, Co wird die gewonnene moder Arbeitspunkt etwa in der Mitte dieses Bereiches dulierte HF-Spannung einem Nachverstärker mit dem konstanter Steilheit zu liegen kommt. Transistor Ts4 zugeführt. Die Kapazität C6 bildet

Bei dieser Art des Ausgleichs der ansteigenden Steil- 30 ebenfalls hinsichtlich der Hochfrequenz einen Blockheitskennlinie erhält man den größten linearen Modu- kondensator, und die nicht bezeichneten Widerstände lationssteuerbereich, der mit einem Sperrschicht- dienen der Vorspannungseinstellung für den Tranvaraktor des erwähnten Kennlinienverlaufs erreichbar sistor Ts 3.

ist. Außer geeigneter Einstellung der Vorspannung unä Da die Kapazität CS viel größer ist als die des Varak-

der HF-Spannung sind zum Erhalt dieser linearen 35 tors GrI, ist sie für den HF-Kreis unwirksam. Sie soll Kennlinie keine weiteren Mittel notwendig, so daß jedoch die über Dr 3 und R12 zugeführte Modulationssich ein sehr einfacher frequenzmodulierbarer Oszilla- spannung U_n, samt Vorspannung U₀ ungehindert zur tor herstellen läßt. Man kann damit vorteilhaft ohne Varaktordiode lassen. An die Stelle von CS könnte Frequenzvervielfachung oder sonstige Umsetzung un- auch ein zweiter Varaktor gesetzt werden, wodurch in mittelbar im gewünschten Endfrequenzfoereich, z. B. 40 manchen Fällen die Modulation noch verbessert werbei Richtfunkgeräten, bei 70 MHz frequenzmodu- den kann. Der Widerstand R12 dämpft eventuell auflieren, zumindest falls die höchsten Modulationsfre- tretende Serienresonanzen der Drossel Dr 3 zusammen quenzen um etwa den Faktor 10 unter der Oszillator- mit Kondensator C5. Ferner wird durch RU und Dr3 mittenfrequenz liegen. die Rest-HF-Spannung an C5 in Richtung Modu-

FOr gewisse Anwendungsfälle kann es vorteilhaft 45 lationseingang erheblich unterdrückt,
sein, wenn zusätzliche Kapazitäten zur Diode parallel Dieser Oszillator zeigt bei der vorhergehend geschil-

oder in Serie geschaltet werden. derten Dimensionierung und Einstellung eine in einem

Die Parallelschaltung ist dann vorteilhaft, wenn aus sehr großen Aussteuerbereich lineare Modulationsbestimmiten Gründen die HF-Spannung des Oszillators kennlinie. Ferner ergab sich eine hohe Modulationseine gevnsse Größe nicht überschreiten darf, so daß 50 steilheit bei geringem Oberwellengehalt und relativ die Amplitude zur obigen Steilheitsmitteilung nicht hoher Ausgangsleistung des Oszillators, so daß nur ausreichend ist eine geringe Nachverstärkung nöüg war. Wie ersicht-

Eine feste Kapazität in der Größenordnung der lieh, ist die Schaltung mit wenigen Bauteilen sehr ein-Varaktorkapazität im Arbeitspunkt, die in Serie zum fach realisierbar und auch die Einstellung der opti-Varaktor liegt, vergrößert die positiven Steilheitsver- 55 malen Linearität ist durch entsprechende Einstellung Zerrungen. Dies ist besonders vorteilhaft für Sperr- des Transistorstromes sehr einfach durchführbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Ein Beispiel hierfür bietet die deutsche Patentschrift Patentansprüche: 1 282104. Einerseits ist jedoch dabei der Ausgleich nur in einem relativ schmalen Aussteuerbereich möglich

1. In der Frequenz modulierbarer, frei schwin- und andererseits ist die Dimensionierung relativ gender Oszillator mit einem frequenzbestimmenden 5 kritisch.

Resonanzkreis, dessen Schwrägkreiskapazitäit we- Es sind auch Varaktordioden bekanntgeworden, bei

nigstens teilweise durch einen Kondensator gebildet denen der Exponent der Steilheitskennhiiie, welcher wird, dessen Kapazität C, bezogen auf die Kaipazi- später näher erläutert werden wird, sich m»* o« angetät C₀ beim Vorspannungswert im Arbeitspunkt, legten Sperrspannung verändert, (Zeitschrift »radio sich in Abhängigkeit von einer normierten, auf die io mentor electronic«, Heft 7,1970, S. 472, insbesondere Vorspannung im Arbeitspunkt bezogenen Vor- Bild 15). Diese Veränderung erfolgt so, daß dieser spannung ν annähernd gemäß CJC₀ = l/v" derart Exponent ein Maximum durchläuft. Insbesondere sind ändert, daß der Exponent η mit wachsender Sperr- auch Dioden bekanntgeworden, bei denen der Expospannung in einem gewissen Bereich zunächst zu- nent in einem bestimmten engen Vorspannunjgsgebiet nimmt und dann wieder abnimmt, dadurch 15 den Wert 2 annimmt, so daß dort eins lineare Abhängekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt gigkeit der Frequenz von der Vorspannung der Diode etwa im die Mitte dieses Vorspannungsbereiches erzielt werden kann. Um dieses engje Gebiet zu ergelegt ist uad daß die Aussteuerung durch die weitern, werden gemäß dein Vorschlag in der deutschen Oszillatorschwingungen so gewählt ist, daß die Offenlegungsschrift 1 591121 zwei Dioden verwendet, mittleren Steilheiten dD/dv (Ω = ///„ ist die auf ao deren Arbeitspunkte im Vorspannuiigsbereich derart die Mittenfn;quenz /₀ bezogene Oszillatorfre- versetzt werden, daß sich Minima imd Maxima der quenz/) an dem durch die Kapazitätskennlinie Steilheitskennlinien in angrenzenden Gebieten überentstehenden Minimum und Maximum der im decken, so daß in diesen Bereichen eine Linearisierung Wendepunkt der Steilheitskennlinie, etwa gleich der Vorspannung- und damit der Modulationskennsind. 35 linie erreicht wird.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verzeichnet, daß die optimale Aussteuerung der ver- einfschte Art der Kompensation der Modulationsänderbaren Kapazität durch die Oszillatorschwin- kennlinie anzugeben unter Verwendung von diodenguüg durch die Einstellung des Gleich stromarbeits- ähnlichen Eigenschaften. Es soll mit einfachen Mitteln punktes des aktiven Elementes der Oszillatorschal- 30 ein relativ großer linearer Aussteuerungsbereich erzielt lung, vorzugsweise eines Transistors, bewirkt wird. werden.

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Diese Aufgabe wird bei einem in der Frequenz mogekerjizeichnet, daß der Kapazitätsdiode zur Ver- dulierbaren, frei schwingenden Oszillator mit einem steuerung des Anstieges der Modulatorsteilheit mit frequenzbestimmenden Resonanzkreis, dessen Schwingder Vorspannung eine feste Kapazität, insbeson- 35 kreiskapazität wenigstens teilweise durch einten Kondere eine kleinere als die mittlere Kapazität des densator gebildet wird, dessen Kapiizität C, bezogen veränderbaren Kondensators, in Serie geschaltet ist. auf die Kapazität C₀ beim Vorspannungswert im

Arbeitspunkt, sich in Abhängigkeit von einer normierten, auf die Vorspannung im Arbeitspunkt bezogenen

40 Vorspannung ν annähernd gemäß Q¹C₀ = l/v» derart

ändert, daß der Exponent« mit wachsender Sperrspannung in einem gewissen Bereich zunächst zu-

Die Erfindung bezieht sich auf einen in der Frequenz nimmt und dann wieder abnimmt, erfindungsgemäß modulierbaren, frei schwingenden Oszillator mit einem dadurch gelöst, daß der Arbeitspunkt etwa η die Mitte frequenzbestimmenden Resonanzkreis, dessen Schwing- 45 dieses Vorspannungsbereiches gelegt ist und daß die kreiskapazität wenigstens teilweise durch einen Kon- Aussteuerung durch die Oszillatorschwingungen so gedensator gebildet wird, dessen Kapazität C, bezogen wählt ist, daß die mittleren Steilheiten dD/d ν (Ω = ///„ auf die Kapazität C₀ beim Vorspannungswert im ist die auf die Mittenfrequenz /₀ belogene Oszillator-Arbeitspunkt, sich in Abhängigkeit von einer nor- frequenz /) an dem durch die Kapazitätskennlinie entmierten, auf die Vorspannung im Arbeitspunkt be- 5° stehenden Minimum und Maximum der im Wendezogenen Vorspannung ν annähernd gemäß C/C_o = lvⁿ punkt der Steilheitskennlinie etwa gleich sind,
derart ändert, daß der Exponent« mit wachsender Es ist vorteilhaft, wenn die optimale Aussteuerung