DE2361383A1

DE2361383A1 - Treiberschaltung fuer eine modulationsdiode

Info

Publication number: DE2361383A1
Application number: DE2361383A
Authority: DE
Inventors: Iwao Eguchi; Tadao Shimamura; Yukio Takimoto
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1972-12-23
Filing date: 1973-12-10
Publication date: 1974-07-25
Also published as: JPS4987265A; IT1000893B; US3922570A; DE2361383C2; FR2211801B1; FR2211801A1; JPS5314388B2

Description

Nippon Electric Company, Ltd., Tokyo/Japan

Treiberschaltung für eine Modulationsdiode

Priorität:. 23. Dezember 1972, Japan, Az. 1015/1973

Die Erfindung bezieht sich auf eine Modulationsdiodentreiberschaltung, die insbesondere bei der direkten Phasenmodulation von Mikrowellen und Quasimillimeterwellen durch Impulssignale, wie beispielsweise ultraschnelle PCM- bzw. Pulscodemodulationssignale, verwende bar ist.

Bei dem System der direkten Phasenmodulation von Träger-

409830/0719

wellen, wie etwa Mikrowellen und Quasimillimeterwellen für den PCM—Funkverkehr, wird die Phasenmodulation im allgemeinen so ausgeführt, daß eine in einer Übertragungsleitung vorgesehene Diode durch Modulationssignale eingeschaltet und abgeschaltet wird, so daß die Fortpflanzungsweglängen des Trägers in den Einschalt- und Abschaltzeiten unterschiedlich groß gemacht werden. Als Modulationsdiode wird bislang eine Varactordiode oder eine Schottky-Diode verwendet. Bei einer solchen Diode ändert sich jedoch die Kapazität in bezug auf die Vorspannung, so daß die Phasenänderungen von modulierten Wellen in Abhängigkeit von den Vorspannungen der Diode nicht linear sind. In dem Fall, daß die Phase durch die Modulation um 180 geändert werden soll, bewegt sich der Vektorort der modulierten Wellen nicht auf die gegenüberliegende Seite in dem Smithschen Leitungsdiagramm, indem er durch den Mittelpunkt desselben hindurchgeht, sondern er geht auf die gegenüberliegende Seite, indem er im wesentlichen durch den Halbkreis mit Bezug auf den Mittelpunkt hindurchgeht. Demgemäß ergeben sich in dem Fall, in welchem die Diode durch einen schnellen Impuls mit einer endlichen Anstiegszeit angesteuert wird, in den modulierten Wellenformen Zittererscheinungen und die übertragungscharakteristik wird verschlechtert.

Andererseits, wenn eine pin-Diode als Modulationsdiode verwendet wird, ergeben sich die Zittererscheinungen aufgrund desselben Effekts wie in der Varactordiode und der Schottky-Diode nicht, weil die Kapazität der pin-Diode in bezug auf die Widerstandsänderung unbedeutend ist. Zittererscheinungen aufgrund des Modulationsimpuls-Mustereffekts ergeben sich jedoch wegen Ladungen, die während der Durchlaßvorspannungsperiode gespeichert werden. Bei herkömmlichen Schaltungen ist es deshalb schwierig, die

409830/0719

Betriebsgeschwindigkeit hoch zu machen. In Erweiterung des Standes der Technik ist auch bereits ins Auge gefaßt worden, die pin-Diode mittels eines Emitterfolgers anzusteuern, bei welchem es sich um eine niederohmige bzw. impedanzarme Treiberschaltung handelt. Diese Methode hat jedoch, da Treiberimpulssignale benötigt werden, die sowohl hinsichtlich der Spannung als auch hinsichtlich des Stroms groß sind, den Nachteil, daß die Leistungsaufnahme der Treiberschaltung äußerst groß wird. Obwohl außerdem bereits in Betracht gezogen worden ist, einen Transistor zum Treiben bzw. Ansteuern der Diode in den Sperr- und Sättigungsgebieten zu betreiben, um die Wärmeerzeugung der Treiberschaltung in dem stationären Zustand zu verringern, kann ein Betrieb mit hoher Geschwindigkeit wegen gespeicherten Ladungen in dem Transistor nicht verwirklicht werden.

Demgemäß soll durch die Erfindung für eine Modulationsdiode eine Treiberschaltung geschaffen werden, die mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, frei von Zittererscheinungen ist und im stationären Zustand einen geringen Stromverbrauch sogar dann hat, wenn als die Schaltdiode eines Phasenmodulators zum direkten Phasenmodulieren von Mikrowellen oder Quasimillimeterwellen eine pin-Diode mit gespeicherten Ladungen oder irgendeine von verschiedenen Modulationsdioden, deren Kapazität durch die Vorspannung verändert wird, verwendet wird.

Gemäß der Erfindung ist eine Modulationsdiodentreiberschaltung vorgesehen, in welcher eine KonstantStromschaltung und eine niederohmige Ausgangsschaltung beide mit demselben Anschluß einer Modulationsdiode verbunden sind, damit, wenn die Modulationsdiode eingeschaltet wird, diese

409830/0719

mit einem konstanten Strom aus der Konstantstromschaltung versorgt werden kann, und, wenn die Diode abgeschaltet wird, anstelle der Konstantstromschaltung die niederohmige Ausgangsschaltung mit der Modulationsdiode gekoppelt werden kann. Folglich werden in der Diode gespeicherte Ladungen in der Zeitspanne, in welcher die Diode abgeschaltet ist, sofort durch die niederohmige Ausgangsschaltung aufgenommen bzw. verbraucht, um den Betrieb mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines herkömmlichen Direktphasenmodulationssystems,

Fig. 2 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Modulationsdiodentreiberschaltung nach der Erfindung,

die Fig.

3A bis 3C Wälenformdiagramme zur Erläuterung der in Fig.2 dargestellten Schaltung, und

Fig. 4 ein Schaltschema eines anderen konkreten Ausführungsbeispiels einer bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltung verwendeten niederohmigen Ausgangsschaltung.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zum Erläutern eines herkömmlichen Direktphasenmodulationssystems für Mikrowellen usw., bei welchem eine Diode verwendet wird. Ein einer Klemme 4 zugeführter Mikrowellenträger wird durch einen Zirkulator 1 einem Diodenschalter 3 zugeführt.

409830/0719

Eine Modulationsdiodentreiberschaltung 2 wandelt an. eine Modulationseingangsklemme 5 angelegte ModulationsimpuIssignale in geeignete Pegel um und schaltet den Diodenschalter 3 ein (d.h. macht ihn leitend) und ab (d.h. macht ihn nicht-leitend). Wenn der Diodenschalter 3 eingeschaltet ist, wird der Träger hier reflektiert, während, wenn der Diodenschalter 3 abgeschaltet ist, der Träger zu einer Kurzschlußplatte 6 geht und dort reflektiert wird. Demgemäß, wenn ~jL die Entfernung von dem Diodenschalter 3 zu der Kurzschlußplatte 6 ist, erhalten die Phasen des Trägers die folgende Phasendifferenz aufgrund des Einschalt- und Abschalt-Betriebes des Diodenschalters 3:

= 2i

2 ¹T

wobei λ die Wellenlänge des Trägers ist. Demzufolge, wenn L als Λ/4 gewählt ist, ergibt sich eine [θ -Tj Modulation. Wenn TL als λ/S gewählt ist, ergibt sich eine[o - 1Γ/2]μο-dulation. Der in dem Diodenschalter 3 reflektierte Träger geht wieder durch den Zirkulator 1 hindurch und erreicht als phasenmoduliertes Ausgangssignal eine Klemme 7.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Treiberschaltung nach der Erfindung für eine Modualtionsdiode dargestellt. Die Fig. 3A bis 3C sind Wellenformdiagramme von Signalen in verschiedenen Teilen der in Fig. 2 dargestellten Schaltung, und zwar zeigt Fig. 3A die Wellenform einer Spannung über einer Modulationsdiode 17, Fig. 3B die Wellenform eines durch die Modulationsdiode 17 fließenden Stroms und Fig. 3C die Wellenform eines Ausgangsstroms einer impedanzarmen Ausgangsschaltung 16. Modulationseingangs anschlüsse 5a und 5b, an welche komplementäre Impulse angelegt werden, sind mit der Basis von Transistoren Ql bzw. Q2 verbunden, die in Differenzschaltung geschaltet sind. Die Emitter der Transistoren Q. und Q„ sind gemeinsam durch einen Widerstand 8 mit einer Stromversorgungsklemme 9 einer

409830/07 19. ₆ _

Spannung -V- verbunden. Die Kollektoren der Transistoren Q* und Q₂ sind durch Widerstände 10. bzw. 11 mit einer Stromversorgungsklemme 12 einer Spannung +V~ verbunden. Der Kollektor des Transistors Q₂ hat einen von dort herausgeführten Ausgangsanschluß 13 und ist durch eine Diode 14 geerdet, so daß der niedrige Pegel an dem Ausgangsanschluß 13 mittels der Diode 14 auf ein negatives Potential nahe dem Erdpotential geklemmt ist. Auf diese Weise ist eine Impulsverstärkerschaltung 15 mit den Transistoren Q^ und Q_ gebildet. Der Ausgangsanschluß 13 der Verstärkerschaltung 15 ist durch die impedanzarme Ausgangsschaltung 16 mit einem Anschluß 18 der Modulationsdiode 17 verbunden. Die impedanzarme Ausgangsschaltung 16 kann aus einer Emitterfolgerschaltung aufgebaut sein. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Basis eines Transistors Q₃ mit dem Anschluß 13, der Kollektor durch einen Widerstand 19 mit einer Stromversorgungsklemme 20 einer Spannung +V-. und der Emitter mit dem Anschluß 18 verbunden. Zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Q₃ ist eine Diode 21 mit zu der Charakteristik einer Diode, die durch die Basis und den Emitter des Transistors Q₃ gebildet ist, umgekehrter Polung eingeschaltet.

Außerdem ist eine Konstantstromschaltung 22 mit dem Anschluß 18 der Modulationsdiode 17 verbunden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Konstantstromschaltung 22 so aufgebaut, daß der Kollektor eines Transistors Q. mit dem Anschluß 18 verbunden ist, daß der Emitter durch einen Widerstand 23 mit einer Stromversorgungsklemme 24 einer Spannung -V. verbunden ist und daß die Basis mit einer aus einem Widerstand 25 und einer Zener-Diode 26 bestehenden Vorspannungsschaltung verbunden ist. Der andere Anschluß der mit dem Anschluß 18 verbundenen Modulationsdiode 17 ist geerdet.

— 7 —

409830/0719

Die an den Anschlüssen 5a und 5b eingegebenen komplementären Impulssignale werden durch die Impulsverstärkerschaltung 15 verstärkt. Die Seite positiven Potentials eines an dem Anschluß 13 erzeugten Ausgangsimpulses erhält ein Potential, welches im wesentlichen gleich einer Sperrvorspannung ist, die die Modulationsdiode 17 erfordert, während die Seite negativen Potentials durch die Diode 14 festgehalten ist und zu einem negativen Potential nahe dem Erdpotential wird.

Im folgenden sei der Betrieb in dem eingeschwungenen bzw. stationären Zustand beim Ablauf einer ausreichenden Zeitspanne nach der Änderung der Eingangsimpulssignale betrachtet. Wenn das Ausgangssignal der Impulsverstärkerschaltung 15 auf der Seite positiven Potentials ist, ist die Modulationsdiode 17 durch den Transistor Q₃ in Sperrrichtung vorgespannt. Da durch die Diode 17 in diesem Zeitpunkt im wesentlichen kein Strom fließt, ist ein durch den Transistor Q-, fließender Strom gleich einem durch die Konstantstromschaltung 22 fließenden Strom. Wenn das Ausgangssignal der Impulsverstärkerschaltung 15 auf der Seite negativen Potentials ist, gibt der Strom der Konstantstromquelle 22 der Modulationsdiode 17 einen Vorwärtsbetriebs- bzw. Durchlaßstrom und das Potential des Anschlusses 18 wird auf einem ein wenig negativen Potential gehalten. Obwohl sich der Anschluß 13 ebenfalls auf dem negativen Potential befindet, ist der Absolutwert desselben kleiner als derjenige des Potentials des Anschlusses 18, so daß sowohl der Transistor Q₃ wie auch die Diode 21 in der impedanzarmen Ausgangsschaltung 16 in den nicht-leitenden Zustand übergehen.

Im allgemeinen folgt das Emitterpotential eines Transistors der Änderung des Basispotentials sofort, wenn der Tran-

409830/0719

sistor leitend wird, wohingegen das Nachfolgen des Basispotentials verzögert ist, wenn der Transistor nichtleitend wird. Zur Verringerung dieser Verzögerung ist bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform die Diode 21 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors Q-, geschaltet. Wenn der Transistor Q„ aus dem nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand übergeht, geht der Transistor Q₃ aus dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand über. In diesem Fall wird die Modulationsdiode 17 durch die Diode 21 von einer tiefen Sperrvorspannung zu einer Durchlaßvorspannung getrieben, was aus der PotentialveLlenform während einer Zeitspanne von einer Zeit t₁ bis zu einer Zeit t~ in Fig. 3A hervorgeht, die das Potential des Anschlusses 18 bzw. die Vorspannung der Modulationsdiode 17 zeigt. In dieser Zeit fließen Ladungen, die in einer Sperrschichtkapazität, welche während der Zeitspanne des Betriebes der Modulationsdiode in Sperrichtung auftritt, und in einer Streukapazität der mit dem Anschluß 18 verbundenen Schaltung gespeichert worden sind, durch die Diode 21 in die impedanzarme Ausgangsschaltung 16. Fig. 3C zeigt den Ausgangsstrom der impedanzarmen Ausgangsschaltung 16, und ein als ein negativer Strom 30 in Fig.3C dargestellter Teil ist der genannte Strom, der in die impedanzarme Ausgangsschaltung fließt.Wenn die Modulationsdiode.17 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wird von der Konstantstromquelle 22 ein Durchlaßstrom geliefert. Dieser Strom ist als ein negativer konstanter Strom während einer Zeitspanne von t₂ bis t, in Fig. 3B dargestellt, die den durch die Modualtionsdiode 17 fließenden Strom zeigt. In dieser Figur ist der Sperrstrom der Modulationsdiode 17 als positiv dargestellt.

Wenn nun der Transistor Q₂ von dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand übergeht, steigt das Potential des Anschlusses 13 an. Der Transistor Q₃, dessen Bäsisstrom zu fließen beginnt, schaltet auf den aktiven Be-

- 9 409830/071 9

reich um. Die Ausgangsimpedanz wird kleiner, betrachtet man die Seite der Schaltung 16 von dem Anschluß 18 her. Demzufolge werden Ladungen, die in der Modulationsdiode

17 bei deren Betrieb in Durchlaßrichtung in starkem Ausmaß gespeichert worden sind, schnell durch die niederohmige Ausgangsschaltung 16 entladen. Der Entladungsstrom ist als ein Impulsstrom während einer Zeitspanne von t₃ bis t. in Fig. 3b dargestellt. Das kann auch so betrachtet werden, daß ein starker Strom aus der Schaltung 16 in die Diode 17 fließt, um die darin gespeicherten Ladungen zu löschen. Ein derartiger Strom ist als ein Strom während der Zeitspanne von t-, bis t. in Fig. 3C dargestellt, die den Ausgangsstrom der impedanzarmen Ausgangsschaltung zeigt. Wenn der Ausgangsstrom der impedanzarmen Ausgangsschaltung einen stationären Wert erreicht, wird der Modulationsdiode 17 eine Sperrspannung gegeben und der Transistor Q₃ braucht nur einen Strom in die Konstantstromschaltung 22 fließen zu lassen.

Die Konstantstromschaltung 22 kann, in Wirklichkeit, durch einen hohen Widerstand ersetzt werden. Darüberhinaus kann, wie in Fig. 4 gezeigt, die impedanzarme Aus-^ gangsschaltung 16 aus einem npn-Transistor 31 und einem pnp-Transistor 32 aufgebaut sein, deren Basen beide mit dem Anschluß 13 und deren Emitter beide mit dem Anschluß

18 verbunden sind.

Wie oben dargelegt, wird der in der Modulationsdiodentreiberschaltung nach der Erfindung verwendete Transistor Q₃ nie im Sättigungsgebiet benutzt und die Treiberschaltung hat deshalb die ausgezeichnete Eigenschaft einer hohen Betriebsgeschwindigkeit. Wenn die Modulationsdiode 17 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wird von der Konstantstromschaltung 22 beständig der vorbestimmte Strom

- 10 -

409830/0719

geliefert. Zu der Zeit, wenn sich der Eingangsimpuls geändert hat, fließt der starke Strom durch den Betrieb des Transistors Q~ oder der Diode 21, und die Modulationsdiode 17 kann folglich schnell in Durchlaßrichtung oder in Sperrrichtung vorgespannt werden. Mit Ausnahme der Zeit der Änderung des Eingangsimpulses fließt lediglich der Durchlaßstrom der Modulationsdiode 17 zu der Konstantstromschaltung 22 oder der Strom, dessen Wert gleich dem Vorwärtsstrom der Diode 17 ist, fließt von der impedanzarmen Ausgangsschaltung 16 zu der Konstantstromschaltung 22, was den weiteren Vorteil mit sich bringt, daß der Stromverbrauch äußerst gering sein kann. Demgemäß ist die Erfindung nicht nur für die Treiberschaltung der pin-Diode, die Ladungen gespeichert hat, am geeignetsten, sondern auch für die Treiberschaltung der verschiedenen, in Mikrowellenmodulatorschaltungen verwendeten Dioden, wie der Schottky-Diode und der Varactordiode, wirksam anwendbar.

- 11 -

40 9 8 30/0719

Claims

Patentansprüche :

1. J Treiberschaltung für eine Modulationsdiode, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantstromschaltung (22) zum Versorgen der Modulationsdiode (17) mit einem Durch-* laßstrom vorgesehen ist, daß eine impedanzarme Ausgangsschaltung (16) zum Anlegen einer Sperrvorspannung an die Modulationsdiode vorgesehen ist, und daß die Konstantstromschaltung und die impedanzarme Ausgangsschaltung beide mit einem der Anschlüsse (18) der Modulationsdiode verbunden sind.

2. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromschaltung (22) einen Transistor (Q4) aufweist, dessen Kollektor mit dem genannten Anschluß (18) der Modulationsdiode (17), dessen Emitter durch einen Widerstand (23) mit einer Anschlußklemme (24) einer negativen Spannung (V4) und dessen Basis mit einem aus einem Widerstand (25) und einer Zener-Diode (26) gebildeten Vorspannungskreis verbunden ist.

3. Treiberschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromschaltung (22) durch einen hohen Widerstand gebildet ist.

4. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die impedanzarme Ausgangsschal-* tung (16) eine Emitterfolgerschaltung ist.

5. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die impedanzarme Ausgangsschaltung (16) einen Transistor (Q3) aufweist, dessen Basis mit der Ausgangsklemme (13) einer Impulsverstärker—

A.0 9830/0719

schaltung (15), dessen Kollektor durch einen Widerstand (19) mit einer Anschlußklemme (20) einer positiven Spannung (V3) und dessen Emitter mit dem genannten Anschluß (18) der Modulationsdiode (17) verbunden ist.

6. Treiberschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basis und den Emitter des Transistors (Q3) eine Diode (21) mit zu der Charakteristik einer durch die Basis und den Emitter dieses Transistors gebildeten Diode umgekehrter Polung eingeschaltet ist.

7. Treiberschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die impedanzarme Ausgangsschaltung (16) aus einem npn-Transistor und einem pnp-Transistor (32) aufgebaut ist, deren Basen beide mit der Ausgangskiemine (13) einer Impulsverstärkerschaltung (15) und deren Emitter beide mit dem genannten Anschluß (18) der Modulationsdiode (17) verbunden sind.

409830/0 719

4%

Leerseite