DE2433297A1

DE2433297A1 - Vorrichtung mit einem gyratorresonanzkreis

Info

Publication number: DE2433297A1
Application number: DE2433297A
Authority: DE
Inventors: Johannes Otto Voorman
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-07-23
Filing date: 1974-07-11
Publication date: 1975-02-20
Also published as: US3918014A; AT341576B; SE7409427L; DK391074A; DE2433297C3; AR200527A1; CA1002130A; AU7154174A; CH568682A5; BE817936A; FR2239051A1; NL165893C; JPS5714043B2; DK143086C; FR2239051B1; ATA599974A; GB1451267A; DE2433297B2; DK143086B; SE389952B

Description

PIIN. 703^ Verm/Va/JV

Fa *ΐ*1ΐ* RHWlIt

Anmelder: N. V. Philips" Glceilampenfabrlekeo

AiCi₀ N*. PHN- 7034

Anmeldung vorm 9. Juli 1974

"Vorrichtung· mit einem Gyratorrcsorianzkreis".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Gyratorresonanzkreis mit einem ersten Tor und einem zweiten Tor, die mit je einer Kapazität abgeschlossen sind, welcher Gyratorresonanzkreis eine erste spannungsgesteuerte Stromquelle mit positivem Gegenwirkleitwert und eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle mit negativem Gegenwirkleitwert enthält, wobei der Eingang der genannten ersten spannungsgesteuerten Stromquelle mit dem Ausgang der genannten zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle zur Bildung des genannten ersten Gyratortors verbunden ist, und wobei der Eingang der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle mit dem Ausgang der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle zur Bildung des genann-

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ten zweiten Gyrators verbunden ist, während die beiden spannungsgesteuerten Stromquellen an Spetsestroraquc 1.1 en zur Einstellung des Gleichstroms durch die beiden spannungsgesteuerten Stromquellen angeschlossen sind, wobei die Speisestromquellen mit Steuereingängen verseilen sind.

In Vorrichtungen der obengenannten Art .wände 1-L der Gyrator bekanntlich den an sein Ausgangstor angeschlossenen Kondensator in eine künstliche SelbsLinduktion um, die mit dem an das Gyratoreingangstor angeschlossenen Kondensator den Resonanzkreis bildet; Dabei weist der Gyrator die bekannte Eigenschaft auf, dass die Grosse der künstlichen Selbstinduktion grundsätzlich einfach durch Änderung der Gyratorkonstante G geändert werden kann, was bedeutet, -dass durch Änderung der Einstellung veränderlicher Widerstände oder durch die Wahl der Quotienten von Emitteroberflächen in den im Gyratorresonanzkreis verwendeten Stromspiegeln auf besonders einfache Weise eine Abstirmnänderung des Gyratorresonanzkrexses erzielt werden kann.

Al» Norrt für di· Brauchbarkeit einer derartigen. Vorrichtung gilt allgemein die Grosse des Gütefaktors Q des mit Hilfe de» Gyrators gebildeten Resonanzkreises« Indem auf vorteilhafte Weise bipolare monolithische Konstruktionen benutzt werden, i»t es möglich geworden., Gyratorresonanzkreis e zt» bilden, die über aehrere Oktaven in der

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Frequenz abstimmbar sind und äusserdem einen verhältnismässig hohen Gütefaktor aufweisen.

Tm allgemeinen geht das Bestreben dahin, die Signalverüprrung möglichst gering zu halten. Dies hat zur Folge, dass man elektronische Gyratoren meist in der Klasse A arbeiten lässt. Dies bringt mit sich, dass man sich mit einem niedrigen-Wirkungsgrad, ζ.B. " 1,5 "£» und also mit einer hohen Verlustleistung (Wärmeentwicklung) begnügen muss. . - ■■ ' ·-"'■■-

Eine Verbesserung des obengenannten Wirkungsgrades und also eine Verringerung der Verlustleistung kann dadruch erhalten worden, dass sich der Speisestrom der Vorrichtung mit der Grosse des Signals ändert. Dies kann z.B. mit Hilfe von Spitzendetektion des Signals, aus dem dann das Regelsignal für den Speisestrom- abgeleitet wird, erzielt werden. Spitzendetektion ist aber träge und führt bei einer plötzlich zunehmenden Signalgr'öss&-erhebliche Verzerrungen herbei¹. · ■' ■·..·-

Eine andere Möglichkeit, dem vorgenannten Na.cb.teil zu begegnen, ist die Doppelweggleichrichtung cfe« Signals, aus dem dann das 'Regel signal· für" den Speisestrom ;abg.e-; leitet wird.· Diese "Möglichkeit blei et den Vorteil," dass* die Regelung des Speisestroms augenblicklich (ohne Trägheit) wirkt. Bei Gyratorresonanzkreisen mit einem hohen Gütefaktor Q weist dies aber den Nachteil auf, dass: der

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Kreis durch Kreuzmodulation des Speisestroms mit dem Signal angeregt werden kann, weil der Speisestrom eine starke Komponente mit der doppelten Frequenz des Signals besitzt.

Die Erfindung bezweckt, eine andere Lösung für das Erzeugen eines Regelsignals für den Speisestrom zu schaffen und ist dadurch, gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einer ersten Quadriereinheit zum Erzeugen des Quadrats des dem Eingang der genannten ersten spannungsgesteuerten Stromquelle zugeführten Signals, einer zweiten Quadriereinheit zum Erzeugen des Quadrats des am .zweiten Eingang der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle auftretenden Signals sowie einer an die Ausgänge der genannten ersten und der genannten zweiten Quadriereinheit angeschlossenen Summiereinrichtung zum Erzeugen der Summe der quadrierten Signale versehen ist, wobei der Ausgang .der Summiereinrichtung mit den Steuereingängen der Speisestromquellen gekoppelt ist.

Bei Anwendung der erfindungsgemässen Hassnahraen wird der grosse Vorteil erhalten, dass die Reglung des Speisestroms- augenblicklich wirkt, während die Zwischenmodulation kleiner- wird, je grosser der Gütefaktor des Gyratorreβonanzkreises ist. Eine Verringerung der mittleren Verlustleistung um einen Faktor 100 läset sich leicht erzielen. Nur bei einem maximalen Signal am betreffenden

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Gyrator und dann auch noch bei der richtigen Frequenz wird der Speisestrom maximal sein. Veiter is bei einem durchschnittlich niedrigeren Speisestrom das Geräusch des Kreises durchschnittlich niedriger. Dies hat den Vorteil, dass somit viel kleinere Signale noch geräuschfrei verarbeitet werden können.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Vorrichtung mit Gyratorresonanzkreis nach der Erfindung,

Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform der in der Vorrichtung nach Fig. 1 anwendbaren spannungsgesteuerten Stromquellen, und

Fig. 3 eine mögliche Ausführungsform einer in der Vorrichtung nach Fig. 1 anwendbaren Quadriereinheit.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen. Gyrator mit einem .ersten Tor P₁-P' und einem zweiten Tor P₂-P'. Das erste Tor P₁-P' ist mit„einem Kondensator C. und das zweite Tor P₉-P' ist mit einem Kondensator C_p abgeschlossen. Ein Gyrator besteht grundsätzlich aus zwei gegensinnig parallel geschalteten Stufen mit positivem bzw. negativem Gegenwirkleitwert G bzw. G . Es wird dabei angenommen, dass jede Stufe eine genaue Umwandlung einer Spannung in einen Strom bewirkt. Der Gyrator wandelt auf diese Weiseden an sein zweites Tor P_-P' angeschlossenen Kondensator

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„ in eine künstliche Selbstinduktion um:

die zusammen mit dem an das erste Tor P₁-P' angeschlossenen Kondensator C, einen Resonanzkreis bildet.

Der Gyrator 1 nach Fig. 1 enthält eine erste spannungsgesteuerte Stromquelle 3 ta it positivem Gegenwirlcleitwert, deren Ausgang k mit dem Eingang 6 der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle 7 mit negativem Gegenwirkleitwert zur Bildung des ersten G-yratortores P₁-P' verbunden ist. Der Eingang 2 der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 3 ist mit dem Ausgang 8 der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle 7 zur Bildung des zweiten Gyratortores Pp-P' verbunden." Der Eingang 2 der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 3 ist an eine erste Quadriereinheit 42 zum Erzeugen des Quadrats des dem Eingang der genannten ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 3 zugeführten Signals.angeschlossen. Der Eingang 6 der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle 7 ist an eine zweit· Quadriereinheit 43 zum Erzeugen des Quadrats des am Eingang der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle auftretenden Signals angeschlossen. Die Ausgänge 10 und 11 d«r ersten bzv. der zweiten Quadriereinheit sind an eine Sumitrtinrichtung 44 angeschlossen.

Spannungsgesteuerte Stromquellen, die sich zur An-

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wendung in der Vorrichtung nach Fig. 1 eignen, sind an sich bekannt und bestehen grundsätzlich aus einem Transistor und einem Widerstand, während ausserdem für eine richtige Gleichstromeinstellung des Transistors gesorgt werden muss .

Zur Erzielung der für eine genaue Umwandlung von Spannung in Strom erforderlichen hohen Eingangsimpedanz und hohen Steilheit,ist es aber üblich, sogenannte Kunsttransistoren zu verwenden. Fig. 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines solchen Kunsttransistors. Der von der gestrichelten Linie umgebene Teil 20 der spannungsgesteuerten Stromquelle bildet den sogenannten Kunsttransistor, dessen Basis mit b, dessen Emitter mit e und dessen Kollektor mit c bezeichnet ist. Dei* Kunsttransistor umfasst die Transistoren 21, 22 und 23· Der Kollektor des Transistors

21 ist über eine hochohmige· Stromquelle 2h mit einem Speisepunkt konstanten Potential,s verbunden. Die Basis und der Emitter des Transistors 21 sind über eine Diode 26 miteinander verbunden. Der Emitter des Transistors 21 ist . weiter einerseits über einen Widerstand 25 mit einem Punkt konstanten Potentials und andererseits, über ,die, Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 22 unmittelbar mit dem Ausgang c der Vorrichtung verbunden. Die Basis des Transistors

22 ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors

23 mit dem Kollektor des Transistors 21 verbunden. Die

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Basis des Transistors 23 ist mit dem Emitter des Transistors 21 verbunden. Die hier beschriebene spannungsgesteiuerte Stromquelle weist den Vorteil auf, dass eine sehr genaue Umwandlung von Spannung in Strom nahezu unabhängig von den Transistorparametern erhalten wird, wie im Detail in der älteren deutschen Patentanmeldung P 22044-19.5 ■auseinandergesetzt ist. Mit Hilfe dieser Kunsttransistoren können Gyratoren erhalten werden, wie z.B. in "I.E.E.E. Journal of Solid State Circuits", Heft SC-7, Nr. 6, Dezember 1972, S. 469-474 beschrieben ist.

Quadriereinheiten oder Stromvervielfacher, wie sie bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet werden können, sind ebenfalls bekannt. Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer solchen Quadriereinheit. In dieser Figur ist nur die erste Quadriereinheit 42 im Detail dargestellt. Die zweite Quadriereinheit 43 weist eine gleiche Bauartauf und ist nur schematisch in dieser Figur dargestellt. Der· Kollektor und die Basis des Transistors 28 sind mit der Basis des Transistors 36 verbunden. Die Emitter der Transistoren 28 und 30 sind über die Kollektor-Emitter-Strecke des" Transistors 29 mit einem Speisepunkt z.B. negativen Potentials verbunden. Der Kollektor des Transistors 30 ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 31 mit einem Speisepunkt z.B. positiven Potentials verbunden. Der Kollektor des Transistors 30 ist ausserdem über die Diode

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32 mit der Basis des Transistors 29 verbunden. Die Emitter der Transistoren 34 und 36 sind über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 35 mit einem Speisepunkt negativen Potentials verbunden. Der Kollektor des Transistors 34 ist über die Diode 38 mit der Basis des Transistors 35 verbunden. Die Basis des Transistors 34 ist mit der Basis des Transistors 30 verbunden. Der Kollektor des Transistors 36, der zugleich den Ausgang 10 der ersten Quadriereinheit 42 bildet, ist über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 33 mit einem Speisepunkt positiven Potentials verbunden. Der Ausgang 10 der ersten Quadriereinheit 42 und der Ausgang 11 der sweiten Quadriereinhöit 43 sind mit dem Punkt 44 verbunden sr der im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Summiervorrichtung bildet» Die Summiervorrichtung 44 ist. über die Reihenschaltung der Dioden 45 und 4? mit einem Punkt negativen Potentials verbunden. Zu der Diode 45 ist die Basis-Emitter-Strecke des Transistors"39 parallel geschaltet, dessen Kollektor mit einem Punkt positiven Potentials verbunden-ist^ Zu der Diode 47 ist die Basis-Emitter-Streck© des Transistors 46 parallel geschaltet, dessen Kollektor über di© Diode 48 mit einem Punkt positiven Potentials verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 46 ist ausserdenj mit den Basis-Elektroden der Transistoren 31 und 33 verbunden. ' .

Bekanntlich wird, wenn durch den Gyratorwiderstand

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G der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 3 ein Strom X₁ = a.sinijt fliesst, durch den Gyratorwiderstand G der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle 7 in der Nähe der Resonanzfrequenz praktisch ein Strom i_ = a.cos v't fliessen, so dass eine Phasenverschiebung von 90° ohne zusätzliche Mittel erhalten wird. Quadrierung und Addition der beiden -Signale X₁ und i„ ergibt

a .sin -t + a .cos i-J t = a U/»

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welches Summensignal a ein Mass für die Amplitude des Ausgangssignals ist. Dieses Summensignal wird nun als Regelsignal für die Speisestromquellen des Gyrators 1 und der beiden Quadriereinheiten k2 und h3 verwendet, wie nachstehend noch näher erläutert wird.

Dem Kollektor des Transistors 28 wird ein Strom (l +X₁) zugeführt, wobei I gleich der Grosse der von den Speisestromquellen der Vorrichtung nach Fig. 1 gelieferten Speiseströme und X₁ gleich dem vorgenannten Signalstrom a.sinujt am Eingang der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle 3 ist. Dem Kollektor des Transistors 3^ wird ein Strom (l - I₁) zugeführt. Die Transistoren 31 und 33 bilden zwei Speisestromquellen für die Qüadriereinheit kZ und liefern den Transistoren 30 bzw. 36 einen Speisestrom I. Für die in Fig. 3 gezeigte Schaltung gilt annähernd*

. i In 1 - In _ + In 1 - In ^o =0 (2), Q ? T_ I_ I, I_ .

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wobei k == Boltzmannkonstante
T = absoltite Temperatur
q = Ladung eines Elektrons

I = Sättigungsstrom der verwendeten Transistoren s

> i = Ausgangsstrom am Kollektor des Transistors 36, Aus der Gleichung (2) folgt, dass der am Kollektor des Transistors auftretende Ausgangsstrom gleich

¹O = (1+J₁) Ci-J₁) = ι - __! (3),

ist. Aus Obenstehendem folgt, dass am Ausgang 10 der

Quadriereinheit ein Strom i.,/1 zu der Summiereinrichtung kh fliessen wird. Auf gleiche Weise für die Quadriereinheit ^2 beschrieben ist, wird mit Hilfe der Quadrierein-

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heit 43 ein Regelstrom i./l erzeugt, der ebenfalls der Summiereinrichtung kh zugeführt wird. Zu diesem Zweck werden den Kollektoren der entsprechenden Transistoren und 3^ die Ströme (l+i_?) bzw. (l-i_?)> zugeführt. Der sum-

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raierte Hegelstrom i.. + i„/l = a /I wird durch die Diode , ^5 geführt. Wenn die Diode ^5 und die Basis-Emitter-Diode des Transistors 39 gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen, wird durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 39 ein Strom gleich a /i fliessen. Durch die Diode h7 wird dann ein Strom gleich 2a /i fliessen, während bei gleichen elektrischen Eigenschaften der Diode 47 und der Basis-Emitter-Diode des Transistors h6 ein

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gleich grosser Strom durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 46 fliessen wird. Dieser Strom ist der Hegelstrom für die Speisestromquellen der Vorrichtung nach Fig. 1. In Fig. 3 ist dies für zwei Speisestromquel—

len angegeben. Der Regelstrom 2a /I wird durch eine Diode 48 geführt, wodurch über dieser Diode eine Spannung erzeugt wird, die parallel zu den 3asis-Emitter-Strecken der Transistoren 31 und 33 angelegt wird, die die Speisestromquellen der Quadriereinheit 42 bilden. Der Strom, der durch die Kollektor-Emitter-Strecken dieser Transistoren fliesst, ist gleich

I = a. 2 (4).

Die Grosse des Speisestroms I ändert sich also gerade proportional zu der Amplitude a des Ausgangssignals und ist ausserdem immer grosser als die genannte Amplitude. Der Faktor, um den der Speisestrom I die Amplitude des Ausgangssignals übersteigt, wird mit Hilfe des durch die Diode 45 und den Transistor 39 gebildeten Stromspiegels und des durch die Diode.47 und den Transistor 46 gebildeten Stromspiegels eingestellt. Die beiden Stromspiegel bilden zusammen einen Stromvervielfacher. Im vorliegenden Beispiel ist der genannte Faktor gleich 2, weil angenommen wird, dass der Quatient der Emitteroberflächen der Diode 45 und der Basis-Emitter-Diode des Transistors 39 sowie der Quo-fcient der Emitteroberfläclien der Diode 47 und

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der Basis-Emitter-Diode des Transistors h6 gleich T sind* Durch, die Wahl der genannten Quotienten' kann der genannte Faktor beliebig eingestellt werden, jedoch mit der Massgabe, dass dieser Faktor immer grosser als T sein muss.

In Fig. 3 ist dargestellt _v wie mit Hilfe des erzeugten Regelsignals am Ausgang R die Speisestromquellen 31 und 33 geregelt werden. Die Steueraingänge dieser Speisestromquellen werden dabei durch die Basis-Elektroden der als Speisestromquelle wirkenden Transistoren 31 und gebildet. Auf entsprechende ¥eise können aber alle in der Vorrichtung nach Fig. 1 benötigten Speisestromquellen geregelt werden. Z.B. können in dem Gyrator nach Fig. 6 im vorerwähnten Artikel "I.E.E.E. Journal-of Solid State Circuits" all© vorltandenen Speissstromquellen j die durch die Transistoren mit einära Widerstand in ihrem Emitterkreis gebildet werden, auf identische -If©is© suit dem Ausgang R (Fig. 3) gekoppelt werden.

Claims

1« /■ Vorrichtung mit einem Gyratorresonanzkrels mit · einem ersten Tor und einem zweiten Tor, die "mit je einer Kapazität abgeschlossen sind, wobei dieser Gyratorreeö— nanzkreis eine erste spannungsgesteuerte Stromquelle mit^:; ♦ positivem Gegenwxrkleitwert "und eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle mit negativem Gegenwirfcleitwert enthält, wobei der Eingang der genannten ersteh spannungsgesteüerten Stromquelle mit dem Ausgang der genannten - zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle zur Bildung des. genannten ersten Gyratortores verbunden ist, und wobei der Eingang der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle mit dem Ausgang dor ersten spannungsgesteuerten Stromquelle zur Bildung des genannten zweiten Gyratortores verbunden ist, während die beiden spannungsgesteuerten Stromquellen mit Speisestromquellen zur Einstellung des Gleichstroms durch die beiden spannungsgesteuerten Stromquellen verbunden sind, wobei die Speisestromquellen mit Steuereingangen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einer ersten Quadriereinheit zum Erzeugen des Quadra.ts des dem Eingang der ersten spannungsgesteuerten Stromquelle zugeführten Signals, einer zweiten Quadriereinheit zum Erzeugen des Quadrats des am Eingang der zweiten spannungsgesteuerten Stromquelle auftretenden Signals sowie einer an die Ausgänge der genannten ersten und

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der genannten zweiten Quadriereinheit angeschlossenen Summiereinrichtung zum Erzeugen der Summe der quadrierten Signale versehen ist, wobei der Ausgang der Summiereinrichtung mit den Steuereingängen der Speisestromquellen gekoppelt ist.

2. Vorrichtung mit einem Gyratorresonanzkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Summiereinrichtung über einen Stromvervielfacher mit den Steuereingängen der Speisestromquellen verbunden ist.

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