DE2363599C3 - FM-Demodulatorschaltung - Google Patents

Description

zu einer Zweiweg-Gleichrichterschaltung 10, die im dargestellten Beispiel durch drei Transistoren 11, 12 und 13 gebildet ist, jedoch auch anders verwirklicht sein kann. Die Emitter der Transistoren 1 und 2 sind mit den Basen der Transistoren 11 bzw. 12 verbunden, während deren Kollektoren an eine Gleichstromquelle + Vcc angeschlossen sind. Der Kollektor des weiteren Transistors 13 ist einmal über einen Widerstand 18 an die Gleichstromquelle + Vcc und zum anderen an ein Tiefpaßfilter 16 angeschlossen, an dessen Ausgangsklemme 17 das gewünschte demodulierte Gleichstrom-Ausgangssigna] abgreifbar ist. An der Basis 14 des Transistors 13 liegt eine Gleich-Bezugsspannung. Die Emitter der Transistoren 11, 12 und 13 sind durchverbunden und liegen über eine Konstantstromquclle 15 am Bezugspotential.

Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird nachfolgend an Hand von Fig. 2 erläutert:

Wird an die Basen der Differenzverstärkertransistoren 6 und 7 ein frequenzmoduliertes Signal mit eirter der Eigenfrequenz des Multivibrators entsprechenden Trägerfrequenz angelegt, so schaltet der Transistor 6 während einet Zeitspanne T₁ durch, während der Transistor 7 gesperrt bleibt. Diesen Zustand und das abwechselnde Ein- und Ausschalten der Transistoren 6 und 7 zeigen die Fig. 2 A und 2 B. Wird im anfänglichen Zustand dann der Transistor 1 des Multivibrators leitend, so fließt ein Strom von der Stromquelle + Vcc über die Diode 4 und über die Kollektor-Emitterstrecken der Transistoren 1 und 6 zur Konstantstromquelle 9. Unter dieser Bedingung werden die Transistoren 1 und 2 des Multivibrators nicht vom Durchschalt- in den Sperrzustand geschaltet.

Als nächstes treibt dann im Zeitpunkt /, das frequenzmodulierte Signal den Transistor 7 in den Durchschaltzustand, d. h., die Basis wird gegenüber dem Emitter positiv. Hierbei wird infolge der Diffcrenzschaltung der Transistoren 6 und 7 der Transistor 6 gesperrt, fo daß ein Strom während einer Zeitspanne T₂ nur von der Stromquelle + Vcc über die Diode 4, die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 1, den Kondensator 3 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 7 zur Konstantstromquelle 9 fließen kann. Während der Zeitspanne T₂ verringert sich das Potential am Emitter des Transistors 2 allmählich. Der Kondensator 3 wird in dieser Zeitspanne so lange aufgeladen, bis das Potential am Emitter des Transistors 3 den Wert ( Vcc-2 Vhe) erreicht, wobei mit Vhe die Basis-Emitterspannung eines der Transistoren bezeichnet ist. Sobald das Potential am Emitter des Transistors 2 zum Zeitpunkt I₂ stärker negativ ist als das Potential ( Vcc— 2 Vbe),v/\rd der Transistor 2 durchgeschaltet, während umgekehrt der Transistor I schlagartig in den Sperrzustand schaltet. Sodann steigt das Potential am Emitter des Transistors 1 gemäß Fig. 2C auf das Potential Vcc an, und die Spannung über dem aufgeladenen Kondensator 3 beträgt nun Vhe. Ein Strom fließt nunmehr von der Stromquelle Vcc über die Diode 4', die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 2 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 7 zur Konstantstromquellc 9. Während dieser Zeitspanne 7', von Zeitpunkt I₂ bis zum Zeitpunkt r, wird der Ladestrom I'm den Kondensator 3 zu Null (vgl. Fig. 2G).

Während der nächstfolgenden Zeitspanne T₄ schaltet das frequenzmoduliert«.' Signal den Transistor 6 durch und der Transistor 7 wird gesperrt, so daß der Ladestrom für den Kondensator 3 in entgegengesetzter Richtung fließt (vgl. Fig. 2G). Das Potential am Emitter des Transistors 1 fällt jetzt infolge der steigenden Ladespannung am Kondensator 3 allmählich vom Potential Vcc aus ab. Zum Zeitpunkt /₄ erreicht das Potential am Emitter des Transistors 1 den Wert (Vcc—IVbe), so daß dieser Transistor durchschaltet und der Transistor 2 schlagartig sperrt, so daß ein Strom von der Stromquelle über die Diode 4, die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 1 und die Kollektor-Emittersirecke des Transistors 6 zur Konstantstromquelle 9 fließt. Die Demodulatorschaltung steht nun wieder im Ausgangszustand und der Zyklus wiederholt sich.

Wird nun das frequenzmodulierte Signal nun eine wesentlich höhere Frequenz angenommen, so verkürzen sich die Zeitspannen zwischen dem Durchschalt- und der.; ί nerrzustand der Transistoren 6 und 7 gegenüber der normalen Fer.ode, so daß die Ladedauer

-» für den Kondensator 3 ebenfalls kürzer wird, wie dies in Fig. 2 G für einen auf die Zeitspanne T₄ folgenden Zyklus dargestellt ist. Der Ladestrom von dem Kondensator 3 fließt also nur in Abhängigkeit vom frequenzmodulierten Signal. Die über dem Kondensa-

y> tor 3 aufgebaute Spannung wird durch die Zweiweg-Gleichrichterschaltung 10 gleichgerichtet und ergibt am Kollektor des Transistors 13 das in Fig. 2H in ausgezogener Linienführung angegebene Schaltsignal, das über das Tiefpaßfilter 16 demoduliert wird.

«ι Während der angegebenen Perioden />, bzw. D₂ usw. steigt das Emitterpotential an den Transistoren 1 bzw. 2 über das Gleichspannungsbezugspotential, und entsprechend wird der Transistor 13 in diesen Perioden nicht leitend, d. h. das Kollektorpotential am Transi-

n stör 13 steigt annähernd auf den Wert der Versorgungsspannung Vcc.

Es läßt sich zeigen, daß eine solche mit einem (.lurch Injektionssynchronisation gesteuerten Multivibrator ausgerüstete Demodulatorschaltung in einem weiten Frequenzbereich, und zwar theoretisch im Bereich von annähernd Null teis zum Doppelten der Eigenfrequenz des Multivibrators linear arbeitet. Dementsprechend läßt sich auch das demodulierte Signal als lineare Funktion der Frequenz über einen weiten Fre-

4) quenzbereich hinweg erhalten.

Ein Problem bei solchen Frequenzdemodulatorschaltungen, bei denen die Bezugsfrequenz durch den monostabilen Multivibrator erzeugt wird, dessen Einsatzpunkte durch die Ausgangssignale eines Diffe-

">(! renzverstärkers bestimmt sind, ist jedoch die ungenügende Temperatur- und damit Frequenzstabilität des Multivibrators. Da bei dem Multivibrator etwa nach Fig. 1 die Basis-Emitterspannung Vhf durch die Ausgangsspannungen des Differenzverstärkers be-

Vi einflußt werden, die insbesondere im Schwellenbereich, also im Bereich, da der Transistor Strom zu ziehen beginnt, relativ stark temperaturabhängig sind, erscheinen Mai." ahmen wünschenswert, mit denen sich die Eigenfrequenz des Multivibrators stabilisieren

w) läßt und überdies Exeniplarstreuungen verhindert werden.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde eine Frequenzdemodulalorschaltungder an Hand von Fig. I erläuterten A.t, insbesondere für die Ausle-

o) gun« als integrierter Schaltkreis so zu verbessern, daß eine hohe Temperatur und damit Frcquenzstabilität des Multivibrators gewährleistet werden kann und geringfügige, fast unvermeidliche Exemplarslrcimngcn

eliminiert werden.

Die Lösung dieser technischen Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß nach der Lehre des Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransnrüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäßen Schaltungsmaßnahmcn \v^;>!j errjiiJit. daß die Abhängigkeit der Eigcnf'cquenz des Multivibrators von der Basis-Emitterspannung seiner Transistoren eliminiert wird, die besonders temperaturabhängig ist.

Die Erfindung vird nachfolgend unter Bezuj auf die Zeichnung in einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das bereits beschriebene Schaltbild eines FM-Demodulators, der als wesentliche Baugruppen einen durch Injektionssynchronisation über einen Differenzverstärker gesteuerten monostabilen Multivibrator und einen nachgeschalteten Doppelweg-Gleichrichter enthält,

Fig. 2 die zeitkorrelierte graphische Darstellung von Signalverläufen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 1 und

Fig. 3 das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung, das hinsichtlich der erfindungsgemäß von der Schaltung nach Fig. 1 abweichenden Schaltungsergänzungen nachfolgend ebenfalls in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wird:

Die Schaltung gemäß Fig. 3 ist gegenüber derjenigen nach Fig. 2 dadurch abgewandelt, daß die Dioden 4, 4' und die Widerstände 5, 5' weggelassen sind und die Ankopplung der Kollektoren der Transistoren 1 bzw. 2 an die Gleichstromquelle + Vcc über die Kollektor-Emitteistrecken von Transistoren 20 b/w. 21 erfolgt, während Widerstände 22 und 23 zwischen den Kollektoren der Transistoren 1 und 2 liegen und ihr Verbindungspunkt über die Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Transistors 24 an die Gleichstromquelle + Vcc angeschlossen ist. Widerstände 25, 26 und 27 dienen zur Lieferung einer Vorspannung für die Transistoren 20, 21 und 24. Die Basen der Transistoren 20 und 21 sind an den Verbindungspunkt A der Widerstände 26 und 27 angeschlossen, während die Basis des Transistors 24 mit dem Verbindungspunkt B zwischen den Widerständen 25 und 26 verbunden ist.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird die Spannung über den Lastwiderständen 22 und 23 durch die Spannung über dem Widerstand 26 bestimmt, so daß die Amplitude des Ausgangssignals unabhängig von einer Temperaturänderung wird; die Gründe dafür sind nachfolgend erläutert:

Es sei zunächst angenommen, daß die Transistoren 1 und 7 beide leitend sind. Dies gilt während des in Fig. 2 angegebenen Zeitintervalls T₂. Der den Kondensator 3 aufladende Strom fließt dann über den in Fig. 3 durch gestrichelte Pfeillinie 46 angegebenen Weg, also über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 20, als auch über die Kollektor-Emitterstrecke der Transistoren 1 und 7. Auf Grund des Spannungsabfalls über den Widerständen 25 und 26 ergibt sich die Spannung an der Basis des Transistors 20 zu (Vcc- V_A). Die Basis-Emitterspannung aller Transistoren wird dabei als im wesentlichen gleich angenommen; sie ist in Fig. 3 ebenfalls mit Vbe bezeichnet. Die Spannung am Emitter des Transistors 20 ergibt sich damit zu ( Vcc— V.— Vbe).

Während der Intervalle, da ein Strom übci den Transistor 20 fließt, zieht der Transistor 21 keine¹ Strom. Die Spannung am Emitter des Transistor 24 beträgt ( Vcc— V₁₁- Vbe); sie ist positiv in bezug auf die Spannung ( Vcc— V_Λ) an der Basis des Transistors 21. so daß letzterer nichtleitend bleibt.

Die Emitterspannung am Transistor 28 liegt um Vbe unter der Basisspannung dieses Transistors; sie beträgt damit ( Vcc- V₄-2 Vbe). In diesem Fall fließt kein Strom über den Widerstand 23, so daß die Emitterspannung des Transistors 24 im wesentlichen gleich der Basisspannung des Transistors 29 ist. Entsprechend gilt, daß die Emitterspannung des Transistors 29 um Vbe unter der Basisspannung für diesen Transistor liegt, d. h. auf einem Potentialwert ( Vcc - V_n- V_he). Dieser letzgenannte Spannungswert entspricht auch der Basisspannung des Transistors 1, und damit entspricht die Emitterspannung des Transistors 1 dem Wert ( Vcc- V_e-3Vbe).

Lädt sich der Kondensator 3 auf, so erreicht das Potential an seiner rechten Anschlußklemme in Fig. 3, die mit dem Emitter des Transistors 2 verbunden ist, einen Pegel, bei dem der Transistor 2 leitend wird. Dieser Pegel liegt um Vbe unter der Basisspannung, die ( Vcc— V_A —2 Vbe) beträgt, wie angegeben. Im selben Augenblick, da die über dem Kondensator 3 stehende Spannung einen Pegel erreicht, der ein Leitendwerden des Transistors 2 bewirkt, entspricht die Kondensatorspannung dem Unterschied zwischen den Emitterspannungen der Transistoren 1 und 2. Diese Spannungsdifferenz beträgt nach dem oben Gesagten:

( Κ«- V_A -3 Vbe) - ( Vcc- V₁₁-3 Vhe) = V₁₁-V₁ Ersichtlicherweise ist damit die Abhängigkeit von der Basis-Emitterspannung eliminiert, die bekanntermaßen temperaturabhängig ist. Die Ladespannung für den Kondensator, nämlich (V_B — V_A) kann unabhängig von Temperaturschwankungen der Schaltung gehalten werden. Damit ist für jeden Arbeitszyklus sichergestellt, daß das Ladeintervall immer gleich bleibt, da der Ladestrom nur bestimmt ist durch die Konstantstromschaltung 9 und den konstanten Kapazitätswert des Kondensators 3. Die Ladespannung ist also nicht mehr abhängig von der temperaturabhängigen Spannung Vbe.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind außerdem* die Basen der Transistoren 1 und 2 über die Basis-Emitterstrecken von Transistoren 28 und 29 an die Kollektoren der Transistoren 2 bzw. 1 angekoppelt. Diese Transistoren 28 und 29 verhindern, daß die Transistoren 1 und 2 während ihres Durchschaltzustands in die Sättigung getrieben werden, so daß die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren 1 und 2 wesentlich verbessert wird.

Weiterhin kann die Schaltung gemäß Fig. 3 an Stelle der Zweiweg-Gleichrichterschaltung nach Fig. 1 eine Multiplikatorschaltung 20 als Ausgangskreis aufweisen. Die Multiplikatorschaltung multipliziert die Basispotentiale der Transistoren 1 und 2 mit denen der Transistoren 6 und 7, so daß das demodulierte Signal am Ausgang dieser Schaltung in Abhängigkeit vom Phasenunterscheid zwischen dem frequenzmodulierten Signal und dem Oszillatorsignal abgegriffen werden kann.

Hierzu 3 Bhitt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. FM-Demodulatorschaltung mit

- einem aus zwei emitterseitig über einen Kondensator verbundenen Transistoren aufgebauten Multivibrator, bei dem mindestens die Basis des einen mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden ist;

- einem Differenzverstärker, dessen -erste Ausgangsklemme mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist und an dessen Eingaiigsklemmenpaar ein frequenzmoduliertes Signal differentiell zuführbar ist sowie mit

- einer mit dem Multivibrator und dem Differenzverstärker verbundenen Umformerschaltung, an deren Ausgang ein demoduliertes Signal abgreifbar ist, dessen Amplitude proportional ist zur Phasendifferenz zwischen dem frequenzmodulierten Signal und dem durch die Multivibratoreigenfrequenz festgelegten Signal, gekennzeichnet durch

- ein zur Temperaturstabilisierung für den Multivibrator (1, 2, 3) bestimmtes Transistorpaar mit einem dritten, mit der Emitter-Kollektorstrecke zwischen den Kollektor des ersten (1) und die Betriebsspannung (Vcc) geschalteten Transistor (20) und einem vierten, mit der Emitter-Kollektorstrecke zwischen den Kollektor des zweiten (2) und die Betriebsspannung ( Vcc) geschalteten Transistor (21)

- einen fünften Transistor (24), dessen Kollektor an der Betriebsspannung ( Vcc) liegt und dessen Emitter über eine erste Impedanz (22) mit dem Emitter des dritten (20) und über eine zweite Impedanz (23) mit dem Emitter des vierten Transistors (21) verbunden ist und durch

- eine Vorspannungs-Versorgungsschaltung (25, 26, 27), über die der Basis des fünften Transistors (24) eine erste und den Basen des dritten bzw. vierten Transistors eine zweite gemeinsame Vorspannung zuführbar ist.

2. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden der Transistoren (1, 2) des Multivibrators über einen PN-Übergang (ζ. Β. Basis-Emitterstrecke der Transistoren 28, 29) an den Kollektor des jeweils anderen dieser Transistoren angeschlossen sind.

3. FM-Demodulatorschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung eines Phasenvergleichs zwischen dem an den Basiselektroden der Transistoren (1, 2) des Multivibrators anliegenden Signal und dem frequenzmodulierten Eingangssignal eine Multiplikatorschaltung (30) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Phasenunterschied zwischen diesen Signalen an einem Ausgang (31) ein demoduliertes Ausgangssignal abgibt.

Die Erfindung betrifft eine FM-Demodulatorschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bisher üblichen FM-Demodulatorscbaltungen, insbesondere für Video-Bandgeräte, wird im allgemeinen eine als Phasendetektor arbeitende Demodulatorschaltung in Verbindung mit einem Impulszähler oder einer Verzögerungsleitung verwendet, um das Verhältnis der Frequenzabweichung zur Trägerfrequenzdes frequenzmodulierten Signals im Vergleich zu anderen möglichen Demodulatorschaltungen dieses Typs auf einem günstigen Wert zu halten. Demodulatorschaltungen mit Impulszähler bzw. einer Verzögerungsleitung haben jedoch den Nachteil einer nur relativ begrenzten Grenzfrequenz, d. h., das Ansprechverhalten ist nur begrenzt linear, so daß das Ausgangssignal nicht als lineares Verhältnis über einen weiten Frequenzbereich hinweg erhalten werden kann. Weiterhin h?t sich gezeigt, daß leicht Fehlerspannungen im Gleichstrom-Ausgangssignal entstehen, wenn aus irgendwelchen Gründen Amplitudenänderungen im frequenzmodulierten Signal auftreten. Auch eignen sich solche Demodulatorschaltungen nicht ode? nur schlecht für die Herstellung als integrierter Schaltkreis.

Einen wesentlich größeren linearen Frequenzdynamikbereich und auch den Vorteil der guten Herstellbarkeit in integrierter Technik weist eine bekannte FM-Demodulatorschaltung auf, die als wesentliche Bauteile einen aus zwei emitterseitig über einen Kondensator verbundenen Transistoren aufgebauten monostabilen Multivibrator, dessen Eigenfrequenz auf die Trägerfrequenz des zu demodulierenden Signals abgestimmt ist, und einen Differenzverstärker enthält, dessen erster Ausgang mit dem Emitter des einen und dessen anderer Ausgang mit dem Emitter des anderen Transistors des Multivibrators verbunden ist (vgl. beispielshalber US-PS 3 371289). Um den Ausgangspunkt für die Erfindung besser verständlich zu machen, sei eine Ausführungsform einer solchen Schaltung unter Bezug auf die beigefügte Fig. 1 erläutert:

Der Multivibratorteil dieser Schaltung weist beispielsweise zwei NPN-Transistoren 1 und 2 auf; die Basis des einen Transistors ist jeweils mit dem Kollektor des anderen Transistors verbunden. Die Emitter der Transistoren 1 und 2 sind an die gegenüberliegenden Enden eines Kondensators 3 angeschlossen. Die Kollektoren der Transistoren sind jeweils über die Parallelschaltung aus einem Widerstand 5 bzw. 5' und einer Diode 4 bzw. 4', deren Kathoden an die Kollektoren angeschlossen sind, mit einer Gleichstromquelle für die Kollektorspannungen der Transistoren 1 und 2 verbunden.

Der gemeinsame Anschlußpunkt des Transistors 1 und des Kondensators 3 ist mit dem Kollektor eines NPN-Transistors 6 verbunden, während der Anschlußpunkt am Emitter des Transistors 2 mit dem Kondensator 3 an den Kollektor eines NPN-Transistors 7 angeschlossen ist. Die Transistoren 6 und 7 sind als Differenzverstärker geschaltet, d. h. emitterseitig verbunden und über eine Konstantstromquelle 9 auf ein Bezugspotential, /.. B. Masse, gelegt. Eine Eingangssignalquclle, die das frequenzmodulierte und zu demodulierende Signal liefert, liegt /wischen den beiden Eingängen des Differenzverstärkers 6, 7.

Vom Multivibrator führen zwei Ausuänne 31, 32