DE2163595C2

DE2163595C2 - Phasenempfindliche Detektorschaltung

Info

Publication number: DE2163595C2
Application number: DE2163595A
Authority: DE
Inventors: James Eugene Scottsdale Ariz. Thompson
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-21
Publication date: 1986-07-17
Also published as: DE2163595A1; US3644835A; JPS541192B1; NL7117501A

Description

Die Erfindung betrifft eine phasenempfindliche Detektorschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige phasenempfindliche Detektorschaltung ist aus der Druckschrift »Electronic Engineering«, Dec. 1968 (Seiten 668,669), bekannt Nachteilig bei dieser bekannten Schaltung ist vor allen Dingen, daß dort im Ausgangssignal Wechselstrosnkomponenten auftreten können und daß die mit dieser bekannten Schaltung erreichbare Verstärkung vergleichsweise niedrig ist Diese Nachteile sind bei der bekannten Schaltung u. a. darauf zurückzuführen, daß die vorhandene Multiplizierschaltung nur einen Ausgang hat, der auf den Eingang einer nachgeschalteten Stromlaststufe geführt ist

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine phasenempfindliche Detektorschaltung der eingangs erwähnten Art mit einer besonders guten Verstärkung und einem dabei zugleich vorhandenen günstigen Signal-Rausch-Abstand zu schaffen, wobei die Möglichkeit des Einsatzes in einer phasenverriegelten Schleifenschaltung (PLL) gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen phasenempfindlichen Detektorschaltung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, als Verstärkerstufe im Sinne einer Stromlastverstärkung einen Operationsverstärke/· zu nehmen, dessen Stromverstärkung praktisch gegen unendlich geht, so daß die Eingänge praktisch keine!} Strom ziehen. Hierdurch wird die Spannungsdifferenz an den Eingängen des Operationsverstärkers gleich Null. Dies führt dazu, daß die Ströme durch die in den Rückkoppiungskreisen des Operationsverstärkers liegenden Widerstände im wesentlichen identisch sind. Dies bedingt, daß die Differenz aus diesen beiden Strömen gegen Null geht, wenn das Eingangswechselsignal gleich Null ist. Die Arbeitsweise der Detektorschaltung kann in diesem Sinn als symmetrisch oder auch als abgeglichen angesehen werden.

Mittels dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird der Vorteil erreicht, daß aufgrund der im Anspruch näher angegebenen Verbindung zwischen dem Ausgang der Multiplizierschaltung und den Eingängen des Operationsverstärkers jeder dieser beiden Eingänge als Ausgang der Gleichrichterschaltung verwendet werden kann. Aufgrund dieser Schaltungskonfiguration liefert die erfindungsgemäße Detektorschaltung eine Verstärkung, die etwa doppelt so hoch ist wie die Verstärkung der gättungsgemäßen, bekannten Schaltung. Darüber hinaus bietet die Erfindung den Vorteil, daß jegliche Wechselkomponente im Ausgangssignal eliminiert wir·:!.

b5 Dies bringt es auch mit sich, daß ein wesentlich verbesserter Rausch-Abstand vorhanden ist.

Von der Funktion her gesehen werden in der erfindunsgemäßen Detektorschaltung die Ströme durch die

beiden in den Rückkopplungskreisen des Operationsverstärkers liegenden Widerstände zwangsläufig auf denselben Wert gebracht, womit sie auch den Werten derjenigen Ströme entsprechen, die an den Ausgängen der Multiplizierschaltung auftreten. Somit wird eine Differenz in den Strömen durch die Widerstände und den Strömen am Ausgang der Multiplizierschaltung auf den Ausgang der Detektorschaltung gelegt Um dies zu erreichen wird erfindungsgemäß neben der Multiplizierschaltung und dem Operationsverstärker mindestens eine der beiden Stromquellen so ausgelegt, daß diese neben der konstanten Stromkomponente eine veränderbare Stromkomponente liefert, deren Amplitude von der Größe des Eingangswechselsignals abhängt, das dieser Stromquelle zugeführt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Stromquellen so konzipiert, daß beide Stromquellen jeweils eine zusätzliche Stromkomponente Hefern, die jedoch zueinander in Gegenphase liegen. Obwohl prinzipiell gesehen das als Schaltsignal dienende Wechselsignal jeden beliebigen Funktionsverlauf annehmen kann, wird bevorzugterweise ein Rechteckimpulssignal eingesetzt. Die strom betriebene und im nichtlinearen Betrieb arbeitende Detektorschaltung liefert dann ein Ausgangssignal, wenn eine Abweichung der relativen Phase der um 90° gegeneinander verschobenen Eingangssignale, des Eingangswechselsignals und des Weehselsignals, vorhanden ist.

Mit anderen Worten liegt bei einer Phasenverriegelung zwischen dem analogen Eingangswechselsignal und dem Wechsefsigna.l, das vorzugsweise eine Rechteckspannung mit konstanter Amplitude ist, dann eine Phasenverriegelung vor, wenn beide Signale genau um 90° gegeneinander phasenverschoben sind.

Bei der erfindungsgemäßen Detektorschaltung besteht die Möglichkeit, den de-i Operationsverstärker umfassenden Teil des Detektors so auszulegen, daß bei einem Phasenfehler 0 und einem Ausgangsstrom 0 eine Ausgangsspannung vorhanden ist, so daß zum Beispiel in einer PLL-Schleifenschaltung ein eventuell nachgeschalteter, spannungsgesteuerter Oszillator mit einer von 0 abweichenden Spannung ansteuerbar ist. Mit der Ausgangsspannung des Detektors kann zum Beispiel ein Multivibrator als spannungsgesteuerter Oszillator angesteuert werden. Dieser kann ausgangsseitig eine Rechteckspannung liefern, die phasenverriegelt zum analogen Eingangssignal ist, so daß die«;e Rechteckspannung zur Ansteuerung des phasenempfindlichen Detektors genutzt werden kann. Durch die Möglichkeit bei Phasenverriegelung eine Ausgangsspannung zu liefern, ist es möglich, einen am Airsgang der Detektorschaltung vorgesehenen spannungsgesteuerten Mutlivibrator auf die Mitte seines Betriebsbceiches abzustimmen. Auf eine separate Vorspannung für die Mittenfrequenz des Oszillators kann daher verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Detektorschaltung ist aufgrund des Strombetriebes in ihrer Verstärkung nicht durch die niedrigen Betriebsspannungen begrenzt, die üblicherweise bei integrierten Schaltungen vorhanden sind. Mit Hilfe des Operationsverstärkers ist es möglich, der Detektorschaltung eine nahezu beliebig hohe Verstärkung zu geben.

Neben diesen Vorteilen kommt die Detektorschaltung mit einer äußerst geringen Anzahl äußerer Anschlüsse aus.

Die Erfindung wird nachstehend anhand beispielhafter Ausführungsformell noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen phasenempfindlichen Detektorschaltung.

F i g. 2 ein Blockdiagramm einer phasenverriegelten Schleife mit einer erfindungsgemäßen Detektorschaltung.

F i g. 3 eine Ausführungsform einer Multiplizierschaltung.

Fig.4 das Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Detektorschaltung.

Fig.5 und 6 Kurven der am Ausgang der Multiplizierschaltung verfügbaren Ströme, wobei die Stromumkehrzeiten, die durch die Rechteckspannung vorgegeben sind, um einen Winkel Θ phasenverschoben sind,

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Detektorschaltung mit einer Gegentakt-Ansteuerungsschaltung.

Eine erfindungsgemäße Detektorschaltung kann die Phasendifferenz zwischen einem analogen Eingangssignal und einer Rechteckspannung als zweites Eingangssignal unter Verwendung einer Multiplizierschaltung in Kombination mit einem Stromverstärkungsblock feststellen, der einen Verstärker sowie Widerstandselemente umfaßt. Die Phasendifferenz ergibt sich in Form eines Stromes, der am Ausang eines geeigi^ten Filters eine Spannung zur Ansteuerung weiterer Stufe.i liefert. Diese Stufe kann zum Beispiel aus einem spannungsgesteuerten Multivibrator bestehen, dessen Ausgang mit dem Eingang für die Rechteckspannung verbunden ist, so daß sich :ine Rückkopplungsschleife ergibt, über welche das Ausgangssignal des Multivibrators phasenverriegelt mit dem analogen Eingangssignal gekoppelt ist.

3u Die erfindungsgemäße Detektorschaltung kann vielseitige Anwendung finden, so zum Beispie! zur Umwandlung eines Ausgangssignals eines Zwischenfrequenzteils in eine Rechteckspannung in einem digitalen Frequenz-Modulationssystem. Die Detektorschaltung mit der phasenstarren Kopplung über die Rückkopplungsschleife eignet sich jedoch auch zur Anwendung in kohärenten automatischen Verstärkungs-Steuerschaltungen, in Squeich-Schaitungen, für Steuerungs- und Navigationsschaltungen im Luftverkehr sowie für Hochfrequenz-Schaltungen für Drehfunkfeuer. Die phasenverriegelte Schleifenschaltung kann femer in digitalen Frequenzumwandlungs-Schaltungen benutzt werden bzw. bei Schaltungen Verwendung finden, mit denen ein sinusförmiges Eingangssignal unter Beibehaltung der Phasenkoinzidenz in ein Rechtecksignal umgeformt werden soll.

Durch die Multiplikation mit dem Faktor ± 1 mit Hilfe der Multiplizierschaltung ergibt sich für ein analoges sinusförmiges Eingangssigna! und eine Rechteckspannung als zweites Eingangssignal eine Gleichstromkomponente im Ausgangssignal, welche der Phasendifferenz zwischen den beiden Signalen entspricht. Für eine derartige Detektorschaltung läßt sich eine geeignete Filterschaltung ableiten, die das Ausgangssignal der Detektoacha.tuvig integriert und eine ausgangsseitige Spannung liefert, die der Phasendifferenz zwischen dem analogen sinusförmigen Eingangssignal und der Rechteckspannung proportional ist.

Eine erfindungsgemäße Detektorschaltung ist in Fig. 1 dargestellt. P'ese Detektorschaltung weist eine Verstärkerstufe 12 auf und kann im Strombetrieb betrieben werden. Die Verstärkung wird somit durch den Verstärkerfaktor dieser Verstärkerstufe 12 ur>d durch die stromführende Kapazität der Halbleiterelemente der integrierten Schaltung bestimmt. Dieser Aufbau mach! es möglich, neb .n der Erhöhung .ier Verstärkung die Detektorschaltung mit nur drei Anschlußklemmen und nur einer Verstärkungsstufe zu betreiben. Im Bei-

spiel is; an den Ausgang der Detektorschaltung ein Filter 20 angeschlossen. Ferner wird ein Serienwiderstand Rc 21 im Eingangsstromkreis für das analoge Eingangssignal vorgesehen, der als Teil des Filters wirksam ist und mit zur Einstellung einer gewünschten Übertragungsfrequenz beiträgt.

An eine Klemme 1 wird das analoge Eingangssignal angelegt und eine Stromquelle 17 angesteuert. Die Schwankungen des Eingangswechselsignals werden durch die Stromquelle in Schwankungen des von ihr erzeugten Stromes umgewandelt, so daß sich ein Strom l+e ergibt. Ober eine weitere parallelliegende Stromquelle 18 fließt ein konstanter Strom /.

Eine Rechteckspannung wird über eine Klemme 2 zugeführt und steuert die Multiplizierschaltung Ii an. die in Form eines Umschalters bewirkt, daß die beiden von den Stromquellen 17 und 18 gelieferten Ströme abwechselnd über zwei parallelliegende Zweige mit Widerständen 13 und 14 fließen. Dies bedeutet, daß ein Zweig zuerst mit einem Strom l+f und dann mil einem to Strom / angesteuert wird, wogegen der andere Zweig zuerst mit einem Strom / und dann mit einem Strom l+e angesteuert wird. Diese Umschaltung erfolgt in der Multiplizierschaltung 11, die im wesentlichen aus einem zweipoligen Wechselschalter besteht. Die über die beiden Zweige fließenden Ströme sind mit i\ und /2 bezeichnet und nehmen abwechselnd die vorausstehend erwähnten Werte an.

Zwischen die beiden vom Strom /Ί und /»durchflossenen Zweige ist ein Operationsverstärker 19 geschaltet. der mit den Widerständen 13 und 14 zusammen die Verstärkerstufe 12 bildet. Die Widerstände 13 und 14 liegen zwischen dem Ausgang des Verstärkungskreises und dem invertierenden sowie eiern nicht invertierenden Eingang 15 bzw. 16 des Operationsverstärkers 19. Die beiden Stromquellen 17 und 18 werden beim Fehlen eines analogen Eingangssignals von dem gleichen Strom /durchflossen. Wenn die Rechteckspannung an die Multiplizierschaltung 11 angelegt wird und die Ströme durch die Stromquellen 17 und 18 einander gleich sind. dann heben sich die Ströme in den beiden Zweigen 25 und 26 gegeneinander auf. so daß am Ausgang des Phasendetektors der Strom 0 ist und dem Filter 20 kein Strom zufließt.

Wenn jedoch die Phase des von der Stromquelle 17 erzeugten Stromes durch das analoge Eingangssignal Vp ■ sin ω t geändert wird, dann ist der Gleichstromanteil des Ausgangsstromes nur dann 0, wenn das analoge Eingangssignal gegenüber der Rechteckspannung genau um 90" phasenverschoben ist. Dieses Eingangssignal wird über einen Kondensator 22 und den Widerstand 21 an die Stromquelle 17 angelegt, wodurch der Strom / um einen zusätzlichen Betrag t geändert wird. Bei einem sinusförmigen analogen Eingangssignal mit einer Scheitelspannung V_P ergibt sich als Ausgangsspannung am Filter 20 der nachfolgende Wert:

.. ti,

C.S

In dieser Gleichung sind R₁- der Widerstand 23 und C der Kondensator 24 des Filters 20. Die Größe s ist die La Place-Veränderliche, während 0r die Phase der Sinusschwingung und θ\ die Phase der Rechteckspannung sind-

Die Spannung· V₃, d. h. das Ausgangssignal des Filters 20. ist gleich 0. wenn die Phasendifferenz zwischenÖs und θ\ exakt gleich 90^; ist. Für die Ableitung dieses Zusammenhanges wird davon ausgegangen, daß die Stromquelle 18 einen Strom / und die Stromquelle 17 einen Strom l+s erzeugt, die in einem gegebenen Zeitpunkt dem Wert des analogen Eingangssignals entsprechen. Durch den in der unteren Position liegenden zweipoligen Umschalter 30 wird der Strom l+e dem linken Zweig 25 und der Strom /dem rechten Zweig 26 zugeführt. Dieser Zustand entspricht beispielsweise dem unteren Signalwert der Rechteckspannung. Beim Obergang zum hohen Signalwert der Rechteckspannung wird der Schalter 30 umgeschaltet, d. h. in der Darstellung gemäß F i g. 2 nach oben gelegt, so daß nunmehr der Strom / dem Zweig 25 und der Strom l+e dem Zweig 26 zugeführt werden.

Wenn unter Bezugnahme auf die F i g. 5 und 6 der durch den Zweig 25 fließende Strom mit i\ und der durch den Zweig 26 fließende Strom mit /2 bezeichnet wird, so ist ;'i -Z₂ proportional der Phasendifferenz zwischen dem analogen Eingangssignal und der Rechteckspannung. Haben das analoge Eingangssignal und diese Rechteckspannung dieselbe Frequenz, und sind die beiden Spannungen um 90" gegeneinander phasenverschoben, so führen die Zweige 25 und 26 den durch die ausgezogene Linie 35 sowie durch die gestrichelte Linie 36 dargestellten Strom. In dieser Darstellung entspricht die Linie 35 dem Strom der Größe l+e, wogegen die Linie 37 den Strom /kennzeichnet. Der 0-Strom wird durch die Linie 38 angedeutet, wogegen eine Linie 39 den Strom der Größe -/kennzeichnet. Die in den Zweigen 25 und 26 fließenden Ströme sind so dargestellt, daß sie in der Zeichnung voneinander abgezogen werden. Zum Zeitpunkt ro, der beispielsweise durch den Beginn des unteren Signalniveaus der Rechteck^c.pannung bestimmt ist, welches der Multiplizierschaltung zugeführt wird, ist der durch den Zweig 25 fließende Strom gleich dem konstanten Wert / plus der Wechselstromkomponente ε. Der Strom im Zweig 26 hat zu diesem Zeitpunkt den konstanten Wert /. Zum Zeitpunkt t\ wird der Stromfluß umgekehrt, so daß im Zweig 25 ein konstanter Strom / und im Zweig 26 ein Strom l+e fließt. Wenn der Strom /j von dem Strom /Ί abgezogen und das Ergebnis über die Zeit integriert wird, so ergibt sich aus F i g. 6 ein Reststrom mit dem Wert 0. Dies läßt sich am besten durch einen Flächenvergleich der unter den entsprechenden Kurven oberhalb und unterhalb der Linie 3» liegenden Flächen erkennen.

Wenn eine von der Phasendifferenz 90^c abweichende Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen lieg?, so ergeben sich für die Phasendifferenz θ die in F i g. 6 dargestellten Verhältnisse. Dabei sind die Flächen unter den Kurven über und unter der Linie 38 voneinander verschieden, so daß, wenn der S..Om /2 vom Strom i\ abgezogen wird, sich ein von 0 verschiedenes Ergebnis einstellt. Dieses Ergebnis deutet jedoch darauf hin, dsß die beiden Eingangssignale um einen anderen Winkel als 90° zueinander phasenverschoben sind. Aus den dargestellten Verhältnissen ergibt sich, daß der über die Zeit integrierte Wert größer ist als 0. Dieser Wert ist proportional dem Phasenwinkel Θ, wie vorausstehend beschrieben.

Die Subtraktion des Stromes /·> vom Strom /1 erfolgt der Verstärkerstufe 12 gemäß Fig. 1. Dabei entsteht direkt eine Stromdifferenz. Dies erfolgt im Gegensatz zu einem spannungsbetriebenen System, bei welchem zuerst die Ströme /Ί und h in Spannungen umgeformt werden und dann eine Spannungsdifferenz abgeleitet wird. Wenn man davon ausgeht daß der Operationsverstärker 19 eine sich dem Wen « nähernde Verstärkung

hat und daß die Eingänge des Operationsverstärkers 19 keinen Strom ziehen, dann nähert sich die Spannungsdifferenz e zwischen dieser. Eingängen dem Wert 0. Wenn die Spannungsdifferenz e gegen 0 gehl, folgt, daß ein gleicher Spannungsabfall K, an den Widerständen 13

und 14 vorhanden ist. Wenn dies eintritt, so ist /H = Zu. y

da der Strom / «= —r- in beiden Zweigen derselbe ist. κ

Wenn ;'i3=-/h ist, dann ist für einen gegebenen Zustand der Mukiplizierschaltung U /i3 = ;'i =/+£. Da ;'υ = /ΐ4 ist auch i\4 = l+e. Die Stromquelle 18 erzeugt jedoch einen Strom /, der durch den Widerstand 14 fließt. Der Widerstand 14 führt also einen Strom /Ή, der in diesem Fall gleich Ι+ε ist. Es ist somit ein StiOmüberschuß Ι+ε- Ι=ε vorhanden, der über den von dir Stromquelle 18 hinaus erzeugten Strom erzeugt wird. Dieser Überschuß wird am Ausgang über einen Belastungswiderstand abgeführt, so daß am Ausgang 5 des Phasendetektors ein Strom e~i\- h zur Verfügung steht.

Die Erzeugung des Stromes i\ —k erfolgt auf der Annahme, daß die Verstärkung des Operationsverstärkers 19 groß ist, so daß die Spannungsdifferenz e, d. h. die Spannungsdifferenz an den Eingangsklemmen des Verstärkers gegen 0 geht. Da Verstärker mit einer Vielzahl von Verstärkungsstufen verwendet werden können, kann eine geeignet hohe Verstärkung auf relativ einfache Weise erhalten werden. Bei einer bevorzugten experimentellen Ausführungsform führte eine Verstärkung von nur 10 zu relativ guten Ergebnissen.

Wenn somit die Verstärkung des Verstärkers genügend groß ist, so liegt der absolute Wert des Stromes am Punkt 40 bei

Diese Stromdifferenz ist das Ausgangssignal des Phasendetektors 10, und sie wird an das Filter 20 gelegt, das aus dem Widerstand 23 und dem Kondensator 24 be-

ίο

15

wobei V₁, der Scheiteiweri des analogen Eingangs und θ die augenblickliche 90°-Phasendifferenz zwischen

V_r sin (« t + θκ) und ±1 · (o> t + 6V)

Wie oben ist Af₁. der Eingangswiderstand. Der Multivibrator hat die Übertragungscharakteristik /C, „ wobei Ky die Änderung der Frequenz des Multivibrators je Einheit der Änderung der Steuerspannung ist. Da die Phase das Integral der Frequenz ist und die Phase variabel ist, ist die Transferfunktion des Multivibrators gleich K₁.s (in LaPlace-Schreibweise). Deshalb ist die Ausgangsphase des Multivibrators θ, = —- ■ V, wobei V

die Steuerspannung des Multivibrators ist. Es ergibt sich somit

20 Cs

Durch Umformung der Gleichung reduziert sich die Gleichung der geschlossenen Stufe zu

R Cs

.Ti =

Θ,

Der Nenner dieser Gleichung ist quadratisch, wobei das mittlere Glied gleich 2 ;ω_η und /der Dämpfungsfaktor sind. Das konstante Endglied ist co„-, wobei co„ die Schleifenbandbreite ist. Durch Auswahl geeigneter Werte für R^ Cund R, können c und ω_η variiert werden. Der Mitnahmebereich Jco_P und der Sperrbereich A(Oh können gewählt werden, da sie Funktionen von..-. <y„ und V_p sind. Der Hauptgrund für ein Stromsignal als Ausgangssignal des Phasendetektors ist der einfache Aufbau des Filters, und daß ein Filter mit einer Filterfunk-

steht. Die Größe des Widerstandes 23 ist "_Λ und die tion Kapazität des Kondensators 24 ist C. Es kann gezeigt werden, daß, wenn das Eingangssignal V_p sin ω t ist und wenn der Eingangswiderstand 21 den V/ert R_e hat, das Ausgangssignal des Filters 20 folgendem Wert folgt:

R_: Cs + 1

Die Übertragungsfunktion des Filters 20 ergibt sich dann aus

R,C_S "

wenn der Phasendetektor in einer phasenstarren Schleife nach Fig.2 verwendet wird. In diesem Fall wird die Ausganprspannung V des Filters zur Steuerung eines spannung ,gesteuerten Multivibrators 50 benutzt, dessen Ausgang 51 eine Rechteckschwingung mit einer Frequenz ist, die pioportional zum Quadrat der Steuerspannung ist. wobei der Ausgang mit dem Ausgang des Filters 20 gekoppelt ist. Ern Rückkopplungskreis 52 ist an den Ausgang 51 angeschlossen und führt zurück zu einem der Eingänge der Detektorschaltung 10. Im allgemeinen ist

- η

verwirklicht werden kann. Dies gibt wiederum der endgültigen Gleichung für die geschlossene Schleife eine einfach-quadratische Schleifencharakteristik, die leicht optimierbar ist.

F i g. 3 zeigt eine äquivalente Schaltung zum Schalter 30 nach F i g. 1. In dieser Schaltung sind die Stromquellen 17 und 18 dieselben wie in Fig. 1. Ein zweipoliger Umschalter besteht im wesentlichen aus zwei Paaren von emittergekoppelten NPN-Transistoren60,61 sowie 62 urd 63. An der Basis der Transistoren 6i und 62 liegt eine Vorspannung oder eine Bszugsspannung, Die Basen der Transistoren 60 und 63 sind an einen Taktimpuls gelegt, der in diesem Fall die Wechselspannung für die Multiplizierschaltung 11 ist Bei einem kleinen Taktimpuls ist die an die Transistoren 60 und 63 gelegte Basisspannung sehr viel kleiner als die an die Basen der Transistoren 61 und 62 gelegte Vorspannung. Das Anlegen dieses niedrigen Taktimpulses macht die Transistoren 61 und 62 leitend, während die Transistoren 60 und 63 abgeschaltet werden. Der von der Stromquelle 17 erzeugte Strom fließt durch den Transistor 61 zum Zweig 26, während der von der Stromquelle 18 erzeugte Strom durch den Transistor 62 zum Zweig 25 fließt. Die Ströme werden umgekehrt, wenn der Taktimpuls ansteigt so daß die Transistoren 61 und 62 abgeschaltet werden

und die Transistoren 60 und 63 leitend gemacht werden. In diesem Fall erzeugt die Stromquelle 17 einen Strom, der durch den Zweig 25 fließt, während die Stromquelle 18 einen Strom erzeugt, der durch den Zweig 26 fließt.

In F i g. 4 ist die vollständige Schaltung einer Ausführungsform des Phasendetektors nach F i g. 1 gezeigt mit einem Umschalter 30 nach F i g. 2. Der Operationsverstärker in der Verstärkerstufe 12 ist gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 19 bezeichnet, während die Stromquellen 17 und 18 durch gestrichelte Kreise umrandet sind. Der Verstärker besteht aus einem differenziellen Paar von emittergekoppelten Transistoren 65 und 66, die an eine Stromquelle angeschlossen sind, welche aus einem Transistor 67 und einem Widerstand 68 besteht, wobei an dem Verstärker eine solche Vorspannung liegt, daß er eine extrem hohe Verstärkung hat. Der Kollektor des Transistors 65 ist über einen Widerstand 71 an eine Energiequelle V_1V angeschlossen. Dieser Kollektor ist ferner mit der Basis eines Transistors 72 verbunden, der den Ausgang des Verstärkers liefert. Da Verstärker mit höherer Verstärkung durch Kaskadenschaltung von emittergekoppelten Paaren erhalten werden können, so stellt der dargestellte Verstärker nur einen aus einer Vielzahl dar, die im Verstärkungsblock verwendbar sind. Widerstände 73, 74, 75, 76, 77 und 78 sowie Dioden 79, 81, 82, 83, 84 und 85 liefern die erforderlichen Vorspannungen für die verschiedenen aktiven Elemente der Schaltung. Die Stromquellen umfassen einzelne NPN-Transistoren 87 und 88. Die von den Stromquellen erzeugten Ströme werden von dem Satz der Transistoren gesteuert, wobei die an sie angelegte Basisspannung zwischen Dioden 81 und 82 und Widerständen 77 und 76 abgenommen wird. Der von der Stromquelle 17 gelieferte Strom wird jedoch um den Betrag

V₁, sin (ut

10 komplex als diejenige bekannter Phasendetektoren, wobei die Detektorschaltung strombetrieben werden kann und die Verwendung eines Filters in einer phasenverriegelten Schleifenschaltung gestattet, die äußerst einfach aufgebaut ist. Der Detektor erfordert weniger äußere Anschlüsse, er verbessert die Verstärkung in phasenverriegelten Schleifen. Die Detektorschaltung kann als Phasenschieber verwendet werden und verbessert die Sperr- und Mitnahme-Charakteristiken entsprechender phasenstarrer Schleifenschaltungen. Insbesondere werden bei der Detektorschaltung zusätzliche Schaltungselemente vollständig eliminiert, die bei den bisherigen Phasendetektoren zur Erhaltung der Linearität erforderlich waren.

15

20

25

30

35

R,

geändert, wobei /?_t. der Eingangswiderstand zum Emit- <io ter des Transistors 87 ist. Der analoge Eingang des Phasendetektors wird zwischen dem Emitter des Transistors 87 und der Erde zugeführt, so daß der von der Stromquelle 17 erzeugte Strom gleich

...

, , V₁, sin wt

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

R.

ist. Eine Diode 91 liegt in Reihe mit dem Wechselspannungseingang des Phasendetektors, um die Eingangscharakteristik eines DTL-Tores oder eines TTL-Tores nachzubilden und um dem Schalter geeignete Einschalt- und Ausschalt-Charakteristiken zu geben.

Nach Fig. 7 kann der Phasendetektor mit einem gegentaktgespeisten analogen Eingangssignal versehen werden. In der Schaltung nach den F i g. 1.2 und 5 liefert eine Stromquelle stets einen konstanten Strom. Eine Gegentakteingangsschaltung mit variablen Stromquellen 90 und 91, die an der Sekundärwicklung eines Transformators 92 liegen, liefert der Multiplizierschaltung 11 Ströme Ι+ε und I—f. Der Stromunterschied Z₁ — /2, der am Ausgang 93 erscheint, ist 2 fm womit sich eine zweifache Verstärkung gegenüber der Schaltung nach F i g. 2 ergibt. Der Phasendetektor kann daher direkt durch die Sekundärwicklung eines Zwischenfrequenz-Transformators unter Anwendung der obengenannten Gegema'fctsehaitung angesteuert werden.

Die erfindungsgemäße Detektorschaltungi.->i weniger

Claims

21 Patentansprüche:

1. Phasenempfindliche Detektorschaltung zum Messen, der Phasendifferenz zwischen einem Eingangswechselsignal und einem als Schaltsignal dienenden Wecbselsignal, wobei die Phasendifferenz durch die mittlere Stromstärke eines Ausgangssignals angegeben ist, dessen mittlere Stromstärke proportional zu der Abweichung von einer 90-Grad-Phasendifferenz zwischen den beiden Eingangssignalen ist, mit einer als Polwender wirkenden ±1-Multiplizierschaltung, welche das als Schaltsignal dienende Wechselsignal sowie zwei Stromsignale zweier Stromquellen als Eingangssignale empfängt, und mit einer an die Ausgangsseite der ± l-Multiplizierschaltung. die den Ausgang der phasenempfindlichen Detektorschaltung bildet, angeschlossenen Verstärkerstufe, dadurch gekennzeichnet,

daß die i'^rstärkerstufe (12) einen Operationsverstärker (tSJ mit praktisch unendlicher Verstärkung aufweist,

daß der Ausgang des Operationsverstärkers (19) über einen Widerstand (13) an seinen einen Eingang ( —) und über einen weiteren Widerstand (14) an seinen anderen Eingang (+) zurückgeführt ist,
daß die Ausgangsseite der ±T-Multiplizierschaltung (11) zwei Ausgänge (25, 26) aufweist, die jeweils mit einem der beiden Eingänge (+, —) des Operationsverstärkers (19} verbunden sind, und
daß zumindest eine Stromquelle (17; 90) der zwei Stromquellen (17, 18; 90, 91) zusätzlich zu denjenigen Strömen, die aus einer im wesentlichen konstanten Stromkomponente (l\ bestehen, eine veränderbare Stromkomponente (ε) lie.ert, deren Amplitude von der Größe des Eingangswechselsignals abhängt, welches dieser Stromquelle (17; 90) zugeführt ist.

2. Detektorschaltung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromquellen (90,91) jeweils eine Stromkomponeme (ε) liefern, die zueinander in Gegenphase liegen.

3. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen (17, 18) jeweils einen Transistor (87, 88) aufweisen, dessen Kollektor mit der ± !-Multiplizierschaltung(11) verbunden ist. wobei die Basen der Transistoren miteinander verbunden sind und an einem Vorspannungspotential liegen, und daß dem Emitter des einen Transistors (87) das Eingangswechselsignal zugeführt ist.

4. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (19) einen ersten und einen zweiten emittergekoppelten Transistor (65, 156) aufweist, deren Emitter mit einer weiteren Stromquelle (67,68) verbunden und deren Basen jeweils mit einem der Ausgänge (25,26) der ± 1-Multiplizierschaltung(ll)verbunden sind, daß der Kollektor des zweiten Transistors auf Betriebspotential (V_cc) liegt, daß der Kollektor des ersten Transistors (65) über eine Impedanz (71) mit Betriebspotential verbunden ist. und daß ein dritter Transistor (72) vorgesehen ist, der mit seiner Basis am Kollektor des ersten Transistors (65), mit seinem Kollektor an der Betriebsspannung und mit seinem Emitter am Ausgang des Operationsverstärkers (19) liegt.

5. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche I

bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (13) zwischen dem Emitter des dritten Transistors (72) und der Basis des ersten Transistors (65) vorgesehen ist, daß der weitere Widerstand (14) zwischen dem Emitter des dritten Transistors (72) und der Basis des zweiten Transistors (66) vorgesehen ist und daß-der Ausgang der Detektorschaltung mit der Basis des zweiten Transistors (66) verbunden ist