DE2133622B2

DE2133622B2 - Demodulator fuer amplitudenmodulierte elektrische schwingungen

Info

Publication number: DE2133622B2
Application number: DE19712133622
Authority: DE
Inventors: Donald Walter Framingham Mass Janz (V St A )
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1973-06-20
Also published as: US3651419A; CA944442A; NL7109259A; GB1358091A; DE2133622C3; FR2098193A1; FR2098193B1; DE2133622A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Demodulator für amplitudenmodulierte elektrische Schwingungen, die mindestens einem Transistor als gesteuerten Schalter zugeführt werden, der während jeder zweiten Halbwelle der Schwingung auf Durchlaß geschaltet wird und so das Demodulationsprodukt an eine Ausgangsklemme liefert.

Viele bekannte DemodulatorschalUingen benötigen einen Transformator zum Einkuppeln einer Bezugsträgerschwingung. Der Transformator ist jedoch verhältnismäßig teuer und außerdem nicht gut für integrierte Schaltungen geeignet. Aus der deutschen Patentschrift 1 272 392 ist daher eine Demodulatorschaltung bekannt, bei welcher die zu demodulierende Schwingung den Emittern zweier Komplementärer Schalttransistoren zugeführt wird, die an ihren Basen mit Schaltsignalen derart angesteuert werden, daß sie während abwechselnder Halbwellen der Signalsc'iwingung leiten und so eine Zweiwegdemodulation bewirken, wobei das Demodulationsprodukt gegenphasig an den Kollektoren der Schalttransistoren zur Verfügung steht. Das Schaltsignal wird mit Hilfe eines Übersteuerungsverstärkers aus dem zu demodulierenden Signal abgeleitet. Ein derartiger Demodulator arbeitet sehr linear, da die beiden Transistoren im Schalterbetrieb zwischen zwei definierten Betricbszuständen hin und her geschaltet werden. Infolge der Kollektorrcstspannung in der Sättigung tritt jedoch eine gewisse Signalvcrfälschung des Demodulationsproduktes hinsichtlich des modulierten HF-Signales auf. die um so stärker ins GewiclH fällt, je kleiner die Signalamplitude ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Frhöhung der Genauigkeit der Demodulation, insbesondere bei g^.iiigen Signalamplituden, so daß der Linearitäts'ceich der Demodulation noch weiter ausgedehnt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Demodulator der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch iipWv;i daß als Schalter ein Transistor mit zwei Emittern verwendet ist, deren einer mit dem Kollektor verbunden ist. Derartige Transistoren mit zwei Emittern zeichnen sich einerseits durch eine sehr hohe Impedanz im Sperrbereich und andererseits durch eine sehr niedrige Impedanz im Durchlaßbereich aus und haben insbesondere im Durchlaßbetrieb eine außerordentlich niedrige Kollektorrestspannung so daß deren Einfluß insbesondere bei kleinen Signalamplituden wesentlich weniger ins Gewicht fällt als

ίο bei normalen Transistoren. Auf diese Weise wird der lineare Demodulationsbereich und damit die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Demodulators erheblich erweitert.

Ein besonderes Anwendungsgebiet des crfindungsgemäßen Demodulators, bei welchem die erhöhte DemotlvüaUonsgenauigkeit besonders zur Geltung kommt, sind unter anderem Meßgeräte, wie Wechselspannungsmeßgeräte für niedrige Wechselspannuniien. bei denen die Meßgenauigkeit für kleine Signale

ίο wesentlich verbessert wird.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung kann der der Basis des Transistors zugeführte Schaltimpuls ein von einem Spitzendetektor aus einem unmodulierten. mit der modulierten Schwingung synchronen Bezugsschwingung erzeugter Impuls sein, dessen Dauer kurzer als die Dauer einer Halbschwingung ist. Weiterhin kann für eine Doppelw codemodulation ein zweiter Transistor vorgesehen sein, dem die modulieite Schwingung über eine Umkehrstufe zugeführt ist und dessen Basis ein Snhaltimpuls entgegengesetzter Polarität zugeführt wird. Dadurch vermeidet man die Notwendigkeit der Ausbildung komplementärer Transistoren wie im Fall der deutschen Patentschrift 1 272 392. die insbesondere im Fall der Herstellung des Demodulators in integrierte, Schaltung den technologischen Aufwand im Vergleich /u der zusätzlichen Umkehrstufe erhöht.

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

F i g. 1 das allgemeine Schaltschema einer Demodulatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein detailliertes Schaltbild der Demodulatorschaltung nach Fig. 1.

F i g. 3 eine Reihe von Signalverläufen zur Erläu terung der Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 2.

F i g. 4 das Schaltschema einer Zweiwcg-Spitzendemodulatorschaitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 das Schaltschema einer Zweiweg-Mittelwertdemodulatorschaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 gezeigte Spitzendemodulatorschaltung 2 enthält einen Spitzendelektor 4, einen Funktionsverstärkero, einen Schalters und eine Ladungsspeicheranordnung, beispielsweise in Form einex Kondensators 10. Dem Eingang 12 des Spilzendetektors4 ist ein unmodulicrter Sinusträger zugeführt. Der Spitzendetektor erzeugt an seinem Ausgang 14 pro Trägerschdlel gegebener Polarität je einen Impuls. Wenn der Spilzendeteklor beispielsweise auf die negativen Scheitel des Sinusträgers anspricht, erscheint pro negativem Scheitel des Trägers je ein Impuls am Ausgang 14. Jedesmal, wenn ein solcher Impuls erzeugt wird, wird der Schalter 8 für die Dauer des Impulses geschlossen, wie durch die den Ausgang 14 mit dem Schalters verbindende gestrichelte Linie angedeutet.

3 4

D ;m Eingang 16 des Funktionsverstärkers 6 ist ein zeugten negativen Impulse gelangen über die Emit-

Sign (!gemisch in Form eines mit einem Informa- ter-KoIlektorstrecke des Transistors 60 zum Ausgang

tionssignal amplitudenmodulierten Sinusträgers, der 14. Wie im Signalverlauf D in Fi g. 3 gezeigt, bewirkt

die .!leiche Frequenz hat wie der dem Spitzendetek- jeder dem Eingang 12 zugeführte negative Scheitel

tor '.Ligeführte Sinusträger, zugeführt. Der Ausgang 5 des unmoduliert«! Sinusträgers die Erzeugung eines

20 il:s Verstärkers 6 ist an dem einen Pol 18 des negativen Impulses am Ausgang 14 des Spitzendetek-

Sclulters angeschlossen. Jedesmal, wenn der Schal- lors.

icr 8 geschlossen ist, gelangt das bei 20 anstehende Der Schalter 8 nach Fig. 2 besteht aus einem Signal über den Schalter zum Kondensator 10, der Transistor mit Doppelemitter, der mit seiner Basis 70 dadircb aufgeladen wird. Der Entladekreis des Kon- io an den Ausgang 14 angeschlossen ist. Der Kollektor dens.iitors enthält einen Widerstand 23, der so groß 72 dieses Transistors ist mit dem ersten Emitter 74 bem."ssen ist, daß die Entladezeitkonstante für den verbunden und an den Ausgang 20 des Funktions-Kon: ensator 10 sehr viel größer ist als dessen Lade- Verstärkers 6 angeschlossen. Der zweite Emitter 76 zeitlonstante. Es wird daher am Kondensator 10 des Transistors bildet den Pol 22 des Schalters 8. Der eine verhältnismäßig glatte Spannung erzeugt, deren 15 Widerstand 23 ist parallel zum Kondensator 10 zwi-Amplitude sich entsprechend der Signalmodulation sehen dem Pol 22 und Masse geschaltet,
des Trägers ändert. " Ein· Eigenschaft des Doppelcmitler-TransistorsS.

F i g. 2 zeigt ein detaillierteres Schaltbild der An- von der die Erfindung Gebrauch macht, ist sein hoordii.mg nach Fig. 1. Der Eingang ϊ2 des Spitzende- her Widerstand (in der v-rößenordnung \on U-Ki irs 4 ist über einen Kondensator 26 and einen 20 250 Megohm) zwischen den Pole.i 20 und 22 im Strombegrenzungswiderstand 32 an die Basis 28 nichtleitenden Zustand. Wenn der Transistor leitet, eines Transistors 30 angekoppelt. Der Kondensator hat er einen Widerstand in der Größenordnung von 26 :i:gt ferner über einen Widerstand 34 an Masse. 50OHm und eine niedrige Spannungsverschiebung in Der Emitter 36 des Transistors 30 liegt über eine der Größenordnung von 50Mikrovo!t zwischen er-D10 Je 38 an Masse. Der Kollektor 40 des Transi- 25 stern und zweiten Emitter 74 bzw. 76. Wenn wie im stör; 30 ist über einen Widerstand 42 mit einer Be- vorliegenden Fall der erste Emitter 74 direkt mit zug.'.pannungsquelle — V 1 sowie über einen Kop- dem Kollektor 72 verbunden ist, arbeitet der Transipell.ondensator 50 mit der Basis 46 eines Transistors stör8 als Zweiweg- oder Zweirichtungsleiier. Wenn 48 verbunden. Die Basis 46 ist über einen Wider am Ausgang 14 ein negativer Impuls erzeugt wird, stai d 51 an eine Bezugsspannungsquelle — K 2 ange- 30 wird der Transistor 8 leitend. Wenn am Pol 20 ein schlossen, deren Spannung negativer ist als die der negatives Signal erscheint, fließt ein Strom von Bezigsspannungsquelle —Kl. Der Emitter 52 des Masse über den Kondensator 10 zum Pol 22. über Transistors 48 ist ebenfalls an -K2 angeschlossen. die Emitter-Emitterstrecke 76-74 zum Pol 20 und Dei Kollektor 54 des Transistors 48 ist über einen über den Rückkopplungswiderstand 80 zum Eingang Widerstand 56 an -Kl sowie über einen Wider- 35 des Funktionsverstärkers 6, so daß am Kondensator stand 62 an den Emitter 58 eines Transistors 60 an- eine negative Schwingung erzeugt wird. Wenn umgegesi.-iilossen. Die Basis 64 des Transistors 60 ist di- kehrt am Pol 20 ein positives Signal erscheint, fließt rek an — K 1 angeschlossen. Der Kollektor 66 des ein Strom vom Pol 20 über die relativ niederohmige Trarsistors 60 ist an den Ausgang 14 dos Spitzende- Strecke vom Emitter 74 zum Emitter 76 und über tek (>rs 4 sowie über einen Widerstand 68 an eine Be- 40 den Kondensator 10 nach Masse, so daß am Konzugs ipannungsquelle +Vl angeschlossen. densator eine positive Schwingung erzeugt wird.

F'ι g. 3 reigt in der Schaltung nach Fig. 2 auftrc- In den oben erläuterten Fällen, wo der Kollektor

tend; Signalverläufe. Der Signalverlauf A ist der dem 72 relativ positiv ist, fließt auch ein Strom \om KoI-

Eingang 12 des Spitzendetektors 4 zugeführte unmo- lektor 72 durch die Basis 70 zum Ausgang 14 des

dulurte Sinusträger. Wenn die negative Halbwelle 45 Spitzendetektors 4. Der Koilektor-Basisstrom ist grö-

des Signals A eine Sclr.vellenspannung (K₇-) erreicht, ßer als der Emitter-Emitterstrom. Er ist jedoch we-

die etwas negativer ist als der Basis-Emitter-Dioden- gen der hohen Rückkopplungsschleifen-Verstärkung

sparnungsabfall des Transistors 30 plus dem Span- (größer als 50 db) des Funktionsverstärkers 6 nicht

nuiiiisabfall der Diode 38, beginnt der Transistor 30 so uroß. daß die am Kondensator 10 erscheinende

zu leiten. In Fig. 3 beginnt die Stromleitung zum 50 Schwingung verzerrt wird.

Zeitpunkt r, des Signals/1. wodurch C26 aufgeladen Man kann für den Schalters auch einen üblichen wird. Wenn der Transistor 30 leitend wird, wird Bipolartransistor mit nur einem Ernteter verwenden, sein«: Kollektorspannung weniger negativ, das heißt, Jedoch fließt in diesem Fall Strom in nur einer Richsie nähert sich Masse- ode' Nullpotential, wie im Si- tung und ergibt sich eine höhere Verschiebungsspangnalverlauf Γ angedeutet. Die Stromleitung des Tran- 55 nung zwischen Kollektor und Emitter in der Größensislcrs 30 endet zum Zeitpunkt f., (Signalvcrlauf/l), Ordnung von 30 Millivolt. Eine solche Schaltung wenn die dem Eingang 12 zugeführte Spannung be- kann daher ein Signal nur einer Polarität mit größewirkt, daß die Spannung am Verbindungspunkt des rcr Verschiebungsspannung demodutieren, während Kondensators 26 mit den Widerständen 32 und 34 bei Verwendung des Doppelcmitter-Transistors eine pos: liver wird als die Schwellenspannung K₇-. Es 60 Schwingung mit sowohl positiver als auch negativer wird daher im Zeitintervall /,-f., am Kollektor 40 ein Polarität mit niedriger Verschiebungsspannung depos liver Impuls 70 rzeugt; ebenso wird für jeden moduliert werden kann.

nac !folgenden negativen Scheitel des Signals A ein Es sei angenommen, daß dem Eingang 16 ein Si-

soldier positiver Impuls "rzeugt (Signalverlauf C). gnalgemisch von der im Signalverlauf B (Fig. 3) an-

Die am Kollektor -■,;) erzeugten positiven Impulse 65 gedeuteten Form zugeführt wird. Wie bereits crgelangen über den Kondensator 50 zur Basis des wähnt, kann das Signalgcmisch B ein mit einem InTransistors 48. Diese Impulse steuern den Transistor formationssignal amplitudenmodulierter Sinusträger 48 in den leitenden Zustand, und die daraufhin er- der gleichen Frequenz wie das Signal A sein. Es sei

angenommen, daß das von einem Modulator (nicht gezeigt) erzeugte Signal B in Phase mit dem Signal Λ ist. Im Zeitintervall"/,-Λ, (F i g. 3) wird am Ausgang 20 des Verstärkers 6 ein negatives Signal 80 (Signalvcrlauf/?) erzeugt. Gleichzeitig mit dem negativen Signal 80 wird am Ausgang 14 des Spitzendetcktors 4 ein negativer Impuls 72 a (Signalverlauf D) erzeugt, der den Transistor 8 leitend macht. Daraufhin fließt ein Strom von Masse über den Kondensator 10 und die niederohmige Strecke zwischen Emitter 76 und Emitter 74 zum Pol 20. Der Kondensator 10 lädt sich auf im wesentlichen den negativen Pegel der Schwingung am Pol 20 auf, wie bei 82 im Signalverlauf F (Fig. 3) angedeutet. Während jedes nachfolgenden Zeitintervalls, in dem der Transistor 8 leitend ist, lädt sich der Kondensator 10 auf den negativen Pegel des bei 20 erzeugten Signals auf.

Die Emitter-Emitterimpedanz im leitenden Zustand plus der Ausgangsimpedanz des Funktionsverstärkers beträgt ungefähr 50 Ohm. Die Kapazität des Kondensators 10 beträgt ungefähr 0.01 Mikrofarad. Dies ergibt eine Ladezeitkonstante in der Größenordnung von 0,5 Mikrosekunde. Der Kondensator 10 lädt sich in ungefähr 6 Zeitkonstanten auf den Pegel des Signals bei 20 auf. Jeder der dem Steueranschluß des Schalters 8 zugeführten Impulse 72 (Signaiverlauf D) muß daher eine Dauer haben, die etwas länger als 3,0 Mikrosekunden ist. Der Widerstand 23 hat eine Impedanz von ungefähr 1 Megohm, was eine Entladezeitkonstante von ungefähr 10 Millisekunden ergibt. Der Kondensator 10 entlädt sich daher zwischen den einzelnen Impulsen nur sehr wenig, wenn das Signal A eine Periode in der Größenordnung von 200 Mikrosekunden hat. Somit erscheint am Kondensator 10 eine verhältnismäßig glatte Schwingung F, die der Modulationshüllkurve entspricht.

Es sei jetzt angenommen, daß das vom Modulator (nicht gezeigt) erzeugte Signal B gegenüber dem Signal/l um 180³ phasenverschoben ist. Während beispielsweise des Intervalls /₃-/₄ (F i g. 3) wird am Ausgang 20 des Verstärkers 6 ein positives Signal 84 (Signalverlauf B) erzeugt. Gleichzeitig mit dem positiven Signal 84 wird am Ausgang 14 des Spitzendetektors 4 ein negativer Impuls 72 b (Signalverlauf D) erzeugt, der den Transistor 8 leitend macht. Daraufhin fließt ein Strom vom Ausgang 20 über die Emitter 74 und 76, wodurch der Kondensator 10 auf im wesentlichen den positiven Pegel des Signals bei 20 aufgeladen wird, wie bei 86 im SignalverlaufF (Fig.3) angedeutet. Während jedes nachfolgenden Zeitintervalls, in dem der Transistor 8 leitend ist, lädt sich der Kondensator 10 auf den positiven Pegel des bei 20 erzeugten Signals auf. Wiederum erscheint am Kondenr.ator K) die Modulationshüllkurve oder der Modulationsvcrlauf.

F i g. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Zweiweg-Spitzcndcmodulatorschallung. Die Schaltung ist in vieler Hinsicht der Spitzendemodulatorschaltung nach Fig. I und 2 ähnlich. Außerdem enthält sie eine Umkehrstufe 88, die mit ihrem Eingang an den Ausgang 20 des Ve^rstärkers 6 und mit ihrem Ausgang 90 an den Verbindungspunkt 92 des Kollektors und des

ίο ersten Emitters eines pnp-Doppelemitter-Transistors 94, der als zweiter Schalter vorgesehen ist, angeschlossen ist. Der zweite Emitter 96 des Transistors 94 ist an den Pol 22 angeschlossen. Die Basis 98 des Transistors 94 ist mit dem Ausgang eines Positiv-Spitzendetektors 21 angeschlossen, der eingangsseitig mit dem Eingang 12 vcrfunden ist.

Bei jedem negativen Scheitel des dem Eingang 12 zugeführten Sinusträgers arbeitet die Schaltung nach Fig.4 in der gleichen Weise wie die Schaltungen

so nach F i g. 1 und 2. Wenn der Positiv-Spitzendetektor 100 einen positiven Scheitel erfaßt, gelangt zur Basis 98 des Transistors 94 ein negativer Impuls, der diesen Transistor einschaltet und den Schalter 8 ausschaltet (sperrt). Gleichzeitig wird das ar.i Ausgang 20 des Verstärkers 6 erscheinende positive Signal von der Umkehrstufe 88 in der Polarität umgekehrt und wird der Kondensator 10 aiif Hpn Pcc! de? bei 90 erscheinenden Signals aufgeladen. Der Zweiwef.-Spitzendemodulator arbeitet daher mit einer doppelt so großen Informationsmenge pro Zeit wie der Einweg-Spitzendemodulator nach F i g. 1 und 2, was eine etwas glattere Hüllkurve am Ausgang F ergibt.

Fig. 5 zeigt einen Zweiweg-Mittchvertdemodulator, der ähnlich arbeitet wie der Demodulator nach Fig.4. Der zweite Schalter ist jedoch in diesem Fall ein npn-Doppclemitter-Transistor 102. dessen Kollektor und erster Emitter gemeinsam an den Ausgang 90 der Umkehrstufe 88 angeschlossen ist. Der zweite Emitter des Transistors 102 ist an den Pol 22 angeschlossen. Die Basis 104 des Transistors 102 isl ebenso wie die Basis 70 des Schalters 8 an den Ausgang eines Rechteckgenerators 106 angeschlossen.

Der Rechteckgenerator 106 erzeugt eine Rechteckschwingung der Frequenz /. Der dem Ei^r jang 16 de?

Verstärkers 6 zugeführte amplitudenmodulierte Träger hat die gleiche Frequenz/. Bei jeder negativer Halbwelle der Rechteckschwingung arbeitet die Schaltung nach Fig. 5 in der gleichen Weise wie die Schaltungen räch Fig. 1, 2 und4. Bei jeder positiver Halbwelle < ?r Rechteckschwingung wird dei npn-Transistor 102 eingeschaltet und der Schalter f ausgeschaltet (gesperrt) und lädt sich der Kondensator 10 auf den Pegel des Signals bei 90 auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Demodulator für amplitudenmodulierte elektrische Schwingungen, die mindestens einem Transistor als gesteuerten Schalter zugeführt werden, der während jeder zweiten Halbsvelle der Schwingung auf Durchlaß geschaltet wird und so das Demodulationsprodukt an eine Ausgangsklemme liefert, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein Transistor (8) mit zwei Emittern (74, 76) verwendet ist, deren einer mit dem Kollektor (72) verbunden ist.

2. Demodulator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der der Basis des Transistors (8) 7ugeführte Schaltimpuls (72 b) ein von einem Spit/oidetektor (4^ aus einer unmodulierten, mit de ι modulierten Schwingung synchronen Bezugsschwingung erzeugter Impuls ist. dessen Dauer kürzer als die Dauer einer Halbschwingung ist.

3. Demodulator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, u.iß für eine Dop vlwegdemodulalion ein /weiter Transistor [H)I) \orgesehen ist. dem die modulierte Schwingung iioer eine Umkehrstufe (88) zugeführt ist und dessen Basis ein Schaltimpuls entgegengesetzter Polarität /ugeführt ist.