DE2301707A1 - Demodulatorschaltung - Google Patents

Description

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He.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Demodulatorschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Demodulatorschaltung für amplitudenmodulierte elektrische Signale, im folgenden AM-Demodulator genannt.

Jeder Empfänger für Hochfrequenz enthält ein Organ, welches aus dem hochfrequenten Eingangssignal eine "niederfrequente" Spannung ableitet, deren zeitlicher Verlauf demjenigen der Modulationsspannung weitgehend entsprechen soll. Die allgemeinen Grundlagen über derartige Demodulatoren sind hinlänglich bekannt (vgl. z.B. Meinke/Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik, 3.Auflage I968, S.I080 ff.).

Uebliche. AM-Demodulatoren weisen folgende Umzulänglichkeiten auf:

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Die Abhängigkeit der Demodulatorausgangsspannung von der ihm zugeführten Eingangsspannung hängt in starkem Masse von individuellen Bauteileigenschaften ab,

die Impedanz des Demodulatorausganges ist zumindest von der Hf-Signalamplitude abhängig, was u.a. zu Schwierigkeiten in Rückkopplungsschaltungen führen kann,

bei grosser Modulationstiefe und/oder hoher Modulationsfrequenz treten grosse nichtlineare Verzerrungen auf, d.h. der zeitliche Verlauf der Demodulator-Au3gangsspannung stimmt nicht mehr mit dem der Modulationsspannung überein.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die Qualität von AM-Demodulatoren dadurch zu verbessern, dass der Diode des Demodulators ein Hilfsstrom zugeführt wird, der sie in Durchlassrichtung vorspannt. Auf diese Weise hoffte man aus dem quadratischen Bereich der Strom-Spannungs-Kennlinie der Demodulation herauszukommen (vgl. "General-Electric Transistor Manual" 7^th Edition 1964, S. 289, insbes. Fig. 12.12). Zwar bringt diese Massnahme eine gewisse Steigerung des Wirkungsgrades mit sich - man kann den Innenwiderstand der Diode an die verwendeten Widerstände anpassen, doch die angestrebte Linearisierung tritt nicht ein, die bekannte Demodulatorschaltung weist die oben aufgeführten Unzulänglichkeiten auf.

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E3 ist Aufgabe der Erfindung, eine Demodulatorschaltung für amplitudenmodulierte elektrische Signale zu schaffen, die die Nachteile bekannter Schaltungen nicht aufweist, und sich durch einfachen Aufbau, hohe Linearität und Reproduzierbarkeit der Parameter auszeichnet. .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens zwei Dioden vorgesehen sind, welche mit einem gleichnamigen Pol untereinander verbunden sind, dass die Dioden in Durchlassrichtung derart vorgespannt sind, das3 die Summe der·Diodenströme konstant bleibt, und dass die anderen Pole der Dioden mit einer Eingangssignalquelle kleiner Impedanz verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Pig· 1 ein erstee Ausführungsbeispiel eines AM-Demodulators mit .Gegentaktspeisung,

Pig·. 2 ein Ausführungsbeispiel mit Eintaktspeisung

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines AM-Demodulators für 3- oder Mehrphasendemodulation,

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pig.4 ein praktisches Ausführungsbeispiel eines AM-Demodu-' : lators gemäss der Erfindung.

Fig.5 eine graphische Darstellung , welche die Signalformen von Demodulat ore irigangs- und -ausgangssignal wiedergibt,

Fig.6 eine weitere graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Demodulator-Kennlinie bei kleinen Eingangssignalen.

Die Erfindung wird anhand der Fig.l» zusammen mit den graphischen Darstellungen der Fig.5 und 6 beschrieben. Der AM-Demodulator weist einen Transformator 1 mit Mittelanzapfung auf. Dieser bildet die Eingangssignalquelle. Die Mittelanzapfung 2 liegt an Masse, das Eingassignal IL· wird dem einen freien Ende des Transformators zugeführt; an dieses eine Ende 3 und an das andere freie Ende 4 sind je eine Diode 5 und 6 mit ihren gleichnamigen Polen angeschlossen. Die freien Pole der Dioden 5> 6 sind miteinander verbunden, • dort wird auch die Ausgangsspannung U , des Demodulators abgegriffen. Zwischen Ausgang und Masse liegt eine Stromquelle 7. Parallel zur Stromquelle 7 ist strichliert eine Kapazität 8 eingezeichnet, welche die Streukapazität des Ausgangs symbolisiert» und welche man so klein wie technisch möglich hält. 409830/G489

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Wird der von der Stromquelle 7 erzeugte Strom I₀ gemäss nachfolgender Beziehung gewählt

^Io > ^Cleak * ^max

dt

worin C, . die Streukapazität des Kondensators 8, u_i den Momentanwert der Eingangsspannung U^_n bedeuten, so folgt der Momentanwert u_out der Demodulator-Ausgangsspannung U . dem absolutwert der Demodulatoreingangsspannung bis auf eine kleine, nahezu konstante Verschiebung u_s (vgl. Fig.5)

^uout

^uin - ^us

Vernachlässigt man sowohl die kapazitiven Ströme als auch die Rückströme der Dioden 5 und 6 und geht man davon aus, dass beide Dioden die gleiche Kennlinie aufweisen, so liegt u zwischen folgenden Grenzen:

u(I_o/2) 6 u_B* u(I_o) ,

worin u(l_Q/2) und u(l ) die den Stromwerten I /2 und I zugehörenden Spannungswerte in den U/l-Kennlinieη der Dio den 5 und 6 bedeuten. Für u. = 0 wird dabei

^us - «< V^s* ' '

während für juj* u(I_Q)/2

wird, fcC9B λίΐ /Οά S

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Pur die Praxis hat dies zur Folge, dass die Dioden des Demodulators nur noch bei zwei Stromwerten, z.B. bei I und I_Q/2 ausgesucht werden müssen, wodurch sich reproduzierbare und sogar vorherbestimmbare Demodulator-Kenndaten ergeben. Die in Pig, 6 wiedergegebene Kennlinie eines AM-Demodulators zeigt die Abhängigkeit zwischen dem Momentanwert u. der Eingangsspannung und dem Momentanwert u . der Ausgangsspannung. Die gesamte Uebertragungskennlinie kann man sehr gut und einfach approximieren, wenn man den Effektivwert der Eingangsspannung im logarithmischen Massstab auf der Abszisse, den Logarithmus der Ausgangsspannung auf der Ordinaten aufträgt. Die Kennliniennäherung ist dann durch zwei Halbgeraden gegeben, welche sich bei ca. 125 mV Eingangsspannung schneiden. Der erste Teil hat die Steigung + 2 (quadratischer Bereich), der zweite Teil die Steigung + 1 (linearer Bereich). Die gemessene Kennlinie ist nahezu identisch mit der ereten Halbgeraden bis ca. 50 mV -„, mit der zweiten Halbgeraden ab ca. 800 mV _fi.zura 1/(T-fachen der Diodendurchbruchspannung U_, z.B. bis 50 V _ff.

In Anbetracht der ausgezeichneten Linearität des Demodulators sind die dafür aufgewendeten zusätzlichen Schältmittel vergleichsweise gering: eine Stromquelle, wie sie bereits durch einen einzigen Transistor und einem Widerstand reali-

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alert werden kann, und die möglichst nlederohmlge Anspeisung des Demodulators, z.B. durch ein komplementäres Emitterfolger-Paar, 11, 12, wie es in Fig. 1 angedeutet ist.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf Gegentaktdemodulatoren beschränkt, sie lässt sich auch bei Eintaktdemodulatoren verwirklichen (Pig. 2). Dort entfällt der Transformator 1, an seine Stelle tritt eine Drossel 9, die lediglich zum Schliessen des Gleichstromkreises dient. Wie in Fig. 1 erfolgt die Speisung Über einen Kondensator 10 und ein komplementäres Emitterfolgerpaar 11, 12. Dem Vorteil des einfachen Aufbaus - es wird z.B. kein Transformator mit Kopplungsfaktor annähernd gleich 1 benötigt - steht der Nachteil gegenüber, dass sich ein um den Faktor 2 vergrösserter nichtlinearer Anfangsbereich ergibt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung gibt einen 3-Phasen-AM-Demodulator wieder. Der Transformator I¹ ist hier 6-phasig ausgebildet, jeder Teilwicklung w. ist eine Diode D^ zugeordnet. Die Speisung erfolgt über die mit X, Y, Z bzw· O bezeichneten Eingänge. Die Dioden sind mit ihren gleichnamigen Polen einerseits mit den Teilwicklungen, andererseits untereinander verbunden. Zwischen dem "Mittelpunkt" des Transformators 1* und dem Ausgang des Demodulators liegt die Stromquelle 7.

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Will man bei den Anordnungen der Pig. 1 bis 3 die Spannungsverschiebung u. vermeiden, so bestehen zwei Möglichkeiten,

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welche anhand des Oegentakt-Demodulators gemäss Fig. 1 veranschaulicht werden.

Die erste Möglichkeit besteht darin, die Mittelanzapfung 2 des Transformators 1 nicht direkt, sondern über eine Diode 13 mit Masse zu verbinden. Diese Diode sollte vom gleichen Typ sein wie die des Demodulators. Mittels einer zweiten Stromquelle 14 wird das Potential der Mittelanzapfung auf das der Spannungsverschiebung u angehoben. Der der Diode

13 parallel geschaltete Kondensator 15 schliesst die Diode 13 wechselspannungsmässig kurz.

Eine weit vorteilhaftere Möglichkeit, die Spannungsverschiebung zu eliminieren besteht darin, dem Demodulator einen komplementär dazu aufgebauten weiteren Demodulator zuzuordnen. Dies ist in der Ausführungsform nach Fig. 4 beispielsweise dargestellt. Bis auf die Polarität der Dioden und der Stromquelle stimmen die beiden Demodulatoren überein, ihre einzelnen Bestandteile sind Querstriche unterschiedlich gekennzeichnet. Ihre beiden Ausgänge sind über Summierglieder 16, 16, denen gegebenenfalls noch ein Spannungsfolger nachgeschaltet ist, verbunden. In Abwandlung zu Fig. 1 sind in

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Pig. 4 die Stromquellen 7 und 7 durch Transistoren 7a, 7a mit Emitterwiderständen 7b, 7b gebildet, welche Transistoren Über Drosseln 7c bzw. 7c angekoppelt'sind.

Führt man einem der Eingänge E eine amplitudenmodulierte Wechselspannung zu (der andere Eingang bleibt unbeschaltet. Auf den Transformator 1 und Kondensator 10 kann man sogar verzichten. Die Dioden werden dann (in diesem Fall) anodenseitig mit Masse verbunden.),so wirkt die Anordnung wie ein einfacher AM-Demodulator, allerdings ohne Spannungsverschiebung. Durch die komplementäre Anordnung wird darüber hinaus eine gute Temperatur-Stabilisierung erzielt. Verbindet man die Eingänge E und E, so bleibt der Summenpunkt auf gleichem Potential (in Fig. 4 auf Massepotential), auch wenn den beiden miteinander verbundenen Eingängen AM-Signale zugeführt werden.

Selbstverständlich lässt sich die Anordnung gemäss Fig. U auch zur Demodulation frequenzmodulierter Signale einsetzen, wenn dem Demodulator nach Fig. 4 ein frequenzabhängiges Netzwerk, das Frequenzänderungen in Amplitudenänderungen umsetzt, vorgeschaltet ist. Auf welche Weise dies im einzelnen bewerkstelligt wird, ist Stand der Technik (vgl. beispielsweise in dem eingangs genannten Buch "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik¹¹, Kapitel 61 ff. auf Seite 1383 ff.).

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Die vorgeschlagenen Schaltung3anordnungen ermöglichen e3, Demodulatoren für amplitudenmodulierte Signale (und nach Vorschaltung entsprechender Netzwerke auch solche für frequenzmodulierte Signale) zu schaffen, die sich durch grosse Linearität bei grosser Bandbreite auszeichnen. Durch da3 Fehlen eines beim Bekannten sonst üblichen Integrationsgliedes am Ausgang und durch die Konstanz der Momentanwerte der Diodenströme ist die Ausgangsimpedanz frequenz- und signalamplitudenunabhängig. Der Frequenzbereich des Demodulators X3t im wesentlichen vom verwendeten Transformator, nicht jedoch von den Dioden abhängig und reicht bei gleichem Transformator von 50 kHz bis über 20 MHz mit begrenzter Signalamplitude und von 500 kHz bis über 10 MHz mit Signalamplituden, welche nur noch von der Grosse der Versorgungsspannungen bestimmt werden.

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Claims (7)

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   Patentansprüche

   J Demodulatorschaltung für amplitudenmodulierte elektrische Signale, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Dioden (5»6) vorgesehen sind, weiche mit einem gleichnamigen Pol untereinander verbunden sind, dass die Dioden in Durchlassrichtung derart vorgespannt sind, dass die Summe der Diodenströme konstant bleibt, und dass die anderen Pole der Dioden-mit einer Eingangssignalquelle kleiner Impedanz verbunden sind.
2. 2. Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vorspannungserzeugung eine Stromquelle vorgesehen Ist, welche zwischen dem Verbindungspunkt der Dioden (Di) und Bezugspotential eingeschaltet ist.
3. 3. Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Eintaktspeisung des Demodulators die Dioden über eine Drossel (9) miteinander verbunden sind, wobei ein Ende der Drossel mit der Eingangssignalquelle verbunden ist, das andere Ende auf Bezugspotential liegt.
4. 4. Demodulatorschaltung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Qegentaktspeisung des Demodulators die

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   Dioden mit den Enden eines eine Mittelanzapfung (2) aufweisenden Transformators (1), die auf Bezugspotential liegt, verbunden sind,und dass die Eingangssignalquelle mit einem der genannten Enden (3 bzw. A) verbunden ist.
5. 5. Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrphasiger Speisung des Demodulators Jeder Teilwicklung des Transformators je eine gleichsinnig gepolte Diode (D.) zugeordnet ist, wobei alle Dioden (D.) in Durchlassrichtung derart vorgespannt sind, dass die Summe aller Diodenströme konstant bleibt.
6. 6» Demodulatorschaltung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelanzapfung bzw. der Sternpunkt des Transformators über eine mit einer weiteren Stromquelle (14) verbundenen Diode (13) mit dem Bezugspotential verbunden ist.
7. 7. Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Demodulator ein weiterer komplementär zu diesem aufgebauter Demodulator zugeordnet ist, dass die Ausgänge beider Demodulatoren über Summierglieder miteinander verbunden sind, und dass die Eingangssignalquelle fest mit einem oder beiden Demodulatoren verbunden ist.

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