DE2147795B1 - Frequenzteiler mn einer bistabilen Kippschaltung - Google Patents

Description

• Die physikalische Wirkungsweise dieser Schaltung kann man sich etwa wie folgt vorstellen. Durch die ankommende, am Eingang E stehende Steuerspannung, im einfachsten Fall eine Sinuswelle, wird der Schwingkreis aus L und Ce angeregt. Trifft es sich so, daß sich der Schwingkreisstrom zu einem Zeitpunkt gerade mit der positiven Halbwelle des Eingangsstromes deckt, so kommt ein starker Steuerstrom in dem betreffenden Transistor zustande. Die positive I-f#ll'welle ist deshalb bedeutend da hier n-p-"-#l'r:lnsisloren gewälilt - sind, die an ihrer Basis zur Durchsteuerung eine positive Spannung benötigen. Im Beispiel ist dargestellt, daß gerade der Transistor Ts1 durch einen vorhergegangenen positiven Steuerpult Strom führt. Die anschließende negative Halbwelle der Eingangsspannung kann den in diesem Schaltzustand befindlichen Transistor, dessen Basis-Emitterstrecke niederohmig ist, nicht mehr aus diesem Schaltzustand bringen, da einerseits der induktive Widerstand des linken Teiles der Spule den Steuerstrom zumindest stark herabmindert und ferner der Schwingstrom dem negativen Halbwellenteil des Steuereingangsstromes entgegengerichtet ist. Die anschließend eintreffende positive Halbwelle des Eingangsstromes wird jedoch im eingeschwungenen Zustand in der Spule L den umgekehrten Stromfluß antreffen, da, wie oben bereits gesagt, die Schwingfrequenz des Resonanzkreises etwa die halbe Frequenz des Eingangssignales hat. Infolgedessen wird sich in dieser Arbeitsphase der Eingangsstrom mit dem in der Spule in Gleichrichtung fließenden Schwingstrom überlagern und beide Ströme sind so gerichtet, daß sie den Transistor Ts 2, dessen Eingangswiderstand zunächst hochohmig war, in den niederohmigen Zustand versetzen, d. h. der Transistor Ts 2 wird leitend gemacht. Der Transistor Ts 1 hingegen wird in dieser Arbeitsphase über seine Emitter-Kollektorstrecke den entgegengesetzten Schwingstrom erhalten, so daß der Kollektorstrom dieses Transistors schnell abnehmen wird. Beide Vorgänge unterstützen sich durch die Verkoppelung so, tlnl: ciii sctiiicllcs Umschlagen der Sc!i.iI tuI0g zu dieseiii Zeitptunk@ gewährleistet ist. Die nächste iieg.# tiv gerichtete 1Halbwelle der Eingangsspannung wird wiederum, wie oben schon beim Transistor Ts 1 geschildert, jetzt bei Ts 2 wirkungslos bleiben, während bei der darauffolgenden positiven Halbwelle der Eingangsspannung der Schwingstrom in der Spule wieder so gerichtet ist, daß er zusammen mit der unterstützenden Wirkung des Eingangsstromes den Transistor Ts 1 in den durchgesteuerten Zustand bringen wird. Die Flip-Flop-Schaltung schwingt also eingangsseitig mit halber Eingangsfrequenz und gibt diese Spannung auch ausgangsseitig ab, so daß die Anordnung wie eine Frequenzteilerschaltung mit dem Teilverhältnis 2 : 1 arbeitet. Die Ausgangsspannung kann wie üblich von beiden Kollektoren abgenommen werden.
• Es gelingt auf diese Weise, einen Frequenzteiler auch bis zu sehr hohen Eingangsfrequenzen zu realisieren, da die Induktivität L als dynamischer Speicher wirkt. Die für die Aufrechterhaltung der Schwingungen im Eingangsresonanzkreis erforderliche Energie wird im eingeschwungenen Zustand nämlich zum größten Teil durch die Verkoppelung der beiden Transistoren gedeckt, so daß die Ansteuerleistung sehr gering sein kann. Die schädliche Wirkung der Transistoreingangskapazitäten wird auf diese einfache Weise ausgeschaltet. Man vermeidet dadurch den eingangs geschilderten hohen Steuerungsaufwand für die Flip-Flop-Schaltung und erhält trotzdem die volle Wirkung eines Gatters. Es hat sich gezeigt, daß sich diese vorteilhaften Eigenschaften zumindest im Bereich der 3 dB-Bandbrefte des Fineangskreises erzielen lassen. Bei geeigneter Dime@sionierung wild so eine relative Bandbreite von ûber 30% erhalten.
• Fig. 1 .LIt schließlich in weiteres partiksehes Ausführungsbeispiel, bei dem am Eingang ein Anpaßglied AG vorgesehen ist und am Ausgang der Schaltung ein breitbandig wirksamer Gegentakt-Aus gangstransformator eingeschaltet ist. Dieser Transformator besteht zunächst aus den beiden hochfrequenzmäßig in Serie geschalteten Induktivitäten L 1 und L 2. Die Kondensatoren CB dienen nämlich lediglich der Gleichstromabblockung und bilden für die Hochfrequenz einen Kurzschluß. Die Induktivitäten sind in ihrem Wicklungsaufbau als breitbandiger Leitungsübertrager mit einem festen Widerstandsübersetzungsverhältnis von 1:4 ausgebildet.
• Ein solcher Leitungsübertrager besteht normalerweise aus einer bifilar gewickelten Spule, von dessen Enden zwei so verbunden sid, daß sie für den Eingang des Übertragers als Serienschaltung wirken, während die Anzapfung mit dem kalten Ende einer Wicklung den Ausgang bildet. So entsteht ein Spannungsübertragungsverhältais von 1 : 2 und damit ein Widerstandsübersetzungsverhältnis von 1: 4. Der Übertrager hat geringe Streuung und eine große Bandbreite. Zur besseren Anpassung auf einen üblichen Ausgangswiderstand von Z = 50 Ohm und um einen unsymmetrischen Ausgang zu erhalten, wird die Ausgangsenergie über Anzapfungen an diesen beiden Spulen und Entkopplungskapazitäten auf einen Symmetrierübertrager Ü geführt. Die Ausgangsfrequenz wird an der Ausgangsklemme AK entnommen. Der Transformator wird zweckmäßig so dimensioniert, daß eine kollektorseitige Anpassung an die folgenden Schaltungsteile erreicht wird. Dadti cli wird dcr lus gansseitige st rki'ii;"sgrad erhöht uiid es erfolgt fcrnur eine weitgehende Unterdrückung der ersten Oberwelle (diese ist die eingangsseitige Stouel frequenz), und zwar infolge des angewendeten Gegentaktprinzips diser Schaltung. Man kann diesen Ubertrager auch noch als Resonanztransfortnator ausbi.lden, wodurch ein noch höherer Wirkungsgrad und bessere Selektion (Oberwellenfreiheit) erzielt werden kann.
• Die erfindungsgemäße Schaltung hat ferner den Vorteil einer relativ großen Übersteuerungsfähigkeit, d. h. eine relativ große Unabhängigkeit von der Ansteuerspannung zumindest von einem gewissen Mindestwert ab. In der Praxis zeigt es sich, daß bei einem Ausführungsbeispiel von einer Eingangsleistung von 6 mW ab mindestens eine Sfache Übersteuerung möglich ist. Das Frequenzteilerprinzip gemäß der Erfindung hat also die vorteilhaften Eigenschaften, bis zu sehr hoher, etwa bei der Grenzfrequenz der Transistoren liegenden Eingangsfrequenz noch zu funktionieren, ferner eine große Gesamtbandbreite sowie hohe Übersteuerungsfähigkeit und weitgehende Temperaturunempflndlichkeit.
• Der Energiebedarf ist von der Ansteuerungsseite her gering und auch der Gleichstrombedarf ist klein. Der Kollektorwirkungsgrad ist > 1, so daß auch ohne zwischengeschaltetem Verstärker die nächste Teilerstufe ausgesteuert werden kann. Pulsformungen auf der Eingangsseite sind bei dieser Schaltung nicht nötig, d. h. die Schaltung kann eingangsseitig mit einer Sinusspannung angesteuert werden. Auch die Ausgangsspannung ist besonders bei geeigneter Dimensionierung des Ausgangskreises weitgehend sin usföroiig. Dieses Schaltungsprinzip kann mit praltisch denselben Vorteilen auch bei Röhrenschlatungen angewendet werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Frequenzteiler mit insbesondere transistorbestückter, bistabiler Kippschaltung, die als Flip-Flop ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge der Flip-Flop-Schaltung, insbesondere also die Basen bei Transistoren, über eine Induktivität miteinander verbunden sind, die mit den Eingangskapazitäten der Flip-Flop-Schaltung einen auf etwa die halbe Eingangsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet.
2. 2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität eine Mittelanzapfung hat, an der das Eingangssignal liegt.
3. 3. Frequenzteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Induktivität und den Eingangselektroden Koppelkondensatoren vorgesehen sind.
4. 4. Frequenzteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden an einem Breitband-Gegentaktausgangstransformator liegen.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzteiler mit insbesondere transistorbestückter, bistabiler Kippschaltung, die als Flip-Flop ausgebildet ist.

   Die einfachste derzeitig bekannte Flip-Flop-Schaltung ist die nach Eccles-Jordan. Ihre Verwendung als Frequenzteiler, wobei ihre beiden Steuereingänge in bekannter Weise über Dioden entkoppelt zusammengefaßt werden, befriedigt bei hohen Frequenzen nicht, da zur Ansteuerung sehr schmale Pulse verwendet werden müssen, damit ein einwandfreies Umkippen der Schaltung gewährleistet wird. Die Verwendung bei Frequenzen > 100 MHz ist dadurch mit größten Schwierigkeiten verbunden.

   Der Flip-Flop arbeitet nur dann richtig, wenn der ankommende Puls so gesteuert wird, daß er abwechselnd einmal an den einen, beim nächsten Mal an den anderen Eingang geleitet wird und so in definierter Weise den Ewlip-Flop zum Umkippen veranlaßt.

   Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß man den Flip-Flop-Eingängen cntsprechende Gatter vorsetzt, welche über einen Hilfsspeicher in einen solchen Schaltzustand gesetzt werden, daß eine definierte Pulsdurchgabe auf den entsprechenden Eingang bewirkt wird. Dieses Verfahren ist vorzugsweise bei tiefen Frequenzen gut anwendbar und beinhaltet eine mehr oder weniger große Anzahl üblicher Transistoren und/oder Dioden (Integriertechnik). Bei hohen Frequenzen (> 100 MHz) ist diese Vielzahl von Elementen wiederum störend. Ferner wird an einen solchen Teiler die Forderung gestellt, daß die Ansteuerung durch eine sinusförmige Spannung möglich ist, ohne daß diese erst zu speziellen Steuerimpulsen umgeformt werden muß. Auch der Ausgangsspannungsverlauf soll wiederum möglichst sinusförmig, d. h. oberwellenfrei sein.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lvrccgtlt:n%t z rscllclltung anz.ugelen, die die obigen Furd#runguii erftillt, ohne daß die gescllildcrten Nachteile der bekannten Schaltungen auftreten, insbesondere ein hoher Aufwand erforderlich wird.

   Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzteiler mit insbesondere transistorbestückter, bistabiler Kippschaltung, die als Flip-Flop ausgebildet ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Eingänge der Flip-Flop-Schaltung, insbesondere also die Basen bei Transistoren, über eine Induktivität miteinander verbunden sind, die mit den Eingangskapazitäten der Flip-Flop-Schaltung einen auf etwa die halbe Eingangsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis bildet.

   Die Eingangsspannung wird vorteilhaft der Schaltung über eine Mittelanzapfung der Induktivität zugeführt.

   Zweckmäßig werden zwischen der Induktivität und den Eingangselektroden Koppelkondensatoren vorgesehen.

   Der ausgangsseitige Wirkungsgrad kann vorteilhaft noch dadurch gehoben werden, daß die Ausgangselektroden an einem Breitband-Gegentaktausgangstransformator zur Anpassung an die weiteren Schaltungsteile liegen.

   Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen näher erläutert.

   F i g. 1 zeigt eine bekannte Flip-Flop-Schaltung nach Eccles-Jordan. Bei der Erfindung wurde von folgenden Erkenntnissen zu dieser Schaltung ausgegangen. Das kollektorseitige R-Ca-Glied, bei dem R den Ausgangswiderstand des jeweiligen Transistors und Ca seine Ausgangskapazität bilden, kann bei den heute erhältlichen schnellen Schalttransistoren ohne weiteres bis zu Grenzfrequenzen von bis zu 1 GHz ausgelegt werden. Was die Schaltung jedoch für so hohe Frequenzen ungeeignet macht, ist die infolge der hohen Basis-Emitterkapazität - in der Schaltung mit Ce bezeichnet - große Basiszeitkonstante, deren Schädlichkeit auch durch kapazitive Überbrückung der Rückkopplungswiderstände, wie durch die strichliert eingezeichneten Schaltungsteile angedeutet, nicht wesentlich verringert werden kann.

   Eine Verbesserung dieser Schaltung kann jedoch dann erzielt werden, wenn die Eingangskapazitäten der Transistoren durch entsprechende Induktivitäten kompensiert werden. Man kann diese Induktivitäten zu einer einzigen zusammcnlassen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die Dimcnsionicrung dieser Induktivitiil soll dabei so sein, daß ein mit den Eingangskapa zitliten Ce resonanzfiihiges Gebilde entsteht, das ungefähr auf die halbe Eingangsfrequenz abgestimmt wird.

   Die Ansteuerung der Schaltung geschieht zweckmäßig so wie in F i g. 3 gezeigt ist, nämlich über eine Mittelanzapfung der Kompensationsinduktivität L.

   In Fig. 3 sind ferner noch die Koppelkondensatoren C vorhanden, die zur Gleichstromabblockung dienen.