DE2546341A1

DE2546341A1 - Frequenzdiskriminator mit oberflaechenwellen-vorrichtungen

Info

Publication number: DE2546341A1
Application number: DE19752546341
Authority: DE
Inventors: Martin Fischman; G Norman Williams
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1974-10-21
Filing date: 1975-10-16
Publication date: 1976-04-22
Also published as: US3934207A; DE2546341C3; DE2546341B2

Description

GTE Sylvania Inc. U.S.A.

8. Oktober 1975

GTE-PA 59

PATENTANMELDUNG

Frequenzdiskriminator mit Oberflächenwellen- Vorrichtungen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Varrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt.

Oberflächenwellen-Vorrichtungen fanden bereits Anwendung als frequenzselektive oder auf Frequenzen ansprechende Vorrichtungen, wie Filter, Frequenzdiskriminatoren und ähnlichem. Solche Vorrichtungen enthalten meist ein oder mehrere dappelkammartige Wandler, die auf einem Substrat aus piezoelektrischem Material wie Lithium-Niobat, Lithium-Tantalsäure, PZT, Quartz, Zinkoxyd, Zinksulfid oder Cadmiumsulfid angeordnet sind. Von den verschiedenen, möglichen piezoelektrischen Materialien wird gegenwärtig Lithium-Niobat bevorzugt.

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obwohl andere Materialien je nach der Anwendung und den interessierenden Frequenzen auch in Frage kommen oder unter Umständen vorzuziehen sind. Oberflächenwellen-Vorrichtungen besitzen gegenüber frequenzdurchlassenden oder frequenzübertragenden Schaltkreisen mit diskreten Bauteilen eine Anzahl von Vorteilen wie geringe Größe, Verträglichkeit mit integrierten Schaltkreisen, relativ gleichmäßige Kenndaten, Massenfabrikationsmöglichkeit und ähnliches.

Bekannte Frequenzdiskriminatoren verwenden Oberflächenwellen-Vorrichtungen, die allgemein einen Übertragungsund einen Empfangswandler auf einem piezoelektrischen Substrat hatten. Eine solche Lösung ist der DT-OS 24_54 zu entnehmen. Derartige Vorrichtungen haben meist einen parasitären Frequenzgang wegen verschiedener parasitärer Wirkungen wie Nebenzipfel im Frequenzgang, Grundwellenkoppelung, kapazitive und induktive Kopplungen und ähnliches. Solche Wirkungen verschlechtern das Verhalten wesentlich bei den bekannten Diskriminatoren. Außerdem waren die Konstruktion wie auch die Herstellungstechnik aufwendig. Ihr Einfügungsverlust war groß und der Wirkungsgrad gering.

Bisherige Versuche zur Umgehung der Probleme waren nicht erfolgreich, sowohl mit zwei Wandlern wie auch mit einem Wandler. Jeweils ergaben sich Wandler mit niedrigem Wirkungsgrad und ungenügender oder schädlicher Arbeitsweise.

Demzufolge war es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Frequenzdiskriminatoren zu schaffen, di'a Oberflächen-

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wellen-Vorrichtungen verwenden, die hohe Leistungsfähigkeit und niedrige Einsatzverluste aufweisen, die einfach herstellbar sind und die von Stör-Frequenzen nicht schädlich beeinflußt werden. Die gesuchte Lösung sollte die Mängel und Nachteile der bekannten Ausführungen vermeiden.

Diese Aufgaben werden für den Gattungsbegriff erfindungsgemäß nach dem au,s einer Kombination von Merkmalen bestehenden Kennzeichen gelöst.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen zu entnehmen. "*

Es ist vorgesehen, daß der Frequenzdiskriminator eine Signalquelle und eine erste und eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung besitzt. Weiter sind ein erster und ein zweiter Hüllkurven-Demodulator vorgesehen. Die Signalquelle liefert ein Signal mit Frequenzen, die um eine Mittenfrequenz variieren. Jede der Oberflächenwellen-Vorrichtungen hat einen Wandler mit einem ersten und einem zweiten Kamm verschachtelter, auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten Elektroden. Die Oberflächenwellen-Vorrichtungen haben Impedanz-Maxima oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenz. Die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen sind an die Signalquelle parallel geschaltet. Die beiden Hüllkurven-Demodulatoren sind respektive mit den beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen gekoppelt, um so die beiden Ausgangssignale zu erhalten, die summiert werden.

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So wird ein Signal erhalten, dessen Amplitude representativ für die Frequenzabweichung ist, um die die Frequenz des Eingangsignals von der Mittenfrequenz abweicht.

Aus dem Gesagten folgt, daß die neuerungsgemäße Lösung vorteilhafterweise einen erweiterten Frequenzbereich (extende₍d frequency capability}, hohe Effizierung, unkomplizierte Fabrikationstechnik, eine Verminderung der Seitenflügel-Übertragungsfähigkeit (alleviation of side lobe responses) und anderer parasitärer Effekte, sowie weitere ähnliche Vorteile bewirkt. ~

Nachfolgend sollen anhand der Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Die Zeichnung zeigt in Figur 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführung gemäß der Erfindung;

in Figur 2A, 2B und 2C Kurvendarstellungen der Impedanz Z als 'Funktion der Frequenz fj

in Figur 3 und 4 wahlweise verwendbare Ausführungen von Oberflächenwellen-Vorrichtungen gemäß der Erfindung}

in Figur 5 ein schematisches Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Figur 1 ist eine Signalquelle 1o eingetragen, die Frequenzen, die um eine Mittenfrequenz variieren, an

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einen Anschluß 12 liefert. Das an diesen Anschluß 12 geführte Signal steht in Beziehung zum eingezeichneten Massepunkt. Das von der Signalquelle 1o gelieferte Signal variiert hinsichtlich seiner Beschaffenheit und,Eigenschaften in Abhängikeit von der Anwendung des erfindungsgemäßen Frequenzdiskriminators. Wenn zum Beispiel der Frequenzdiskriminator in dem AFC-System eines Fernsehempfängers verwendet wird, enthält die Signalquelle 1o eine ZF-Verstärkerstufe und die Mittenfreqeunz wird typischerweise 45,75 MHZ sein. In einem AFC-System wird das Ausgangssignal an einen Gleichstromoder Fehler-Verstärker gelegt, der an den HF-Oszillator im Tuner gekoppelt ist. Wenn aber der Frequenzdiskriminator zur Demodulation eines FM-Signals verwendet wird, wie etwa als Zwischenträgertaktsignal eines Fernsehempfängers, dann kann zur Signalquelle 1o ein Zwischenträgerdetektor gehören und das hiervon ausgehende Signal wird typischerweise eine Mittenfrequenz von 4,5 MHZ besitzen. Bei derartigen Anwendungen ist das Ausgangssignal vom Frequenzdiskriminator mit dem NF-Verstärker verbunden.

Die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 sind über die Widerstände 14 bzw. 32, die zwischen den Anschlußpunkten 16 bzw. 34 und dem gemeinsamen Anschlußpunkt 12 liegen, parallel zu den Ausgängen der Signalquelle 1o angeschlossen. Ihre beiden Fußpunkte 2o und liegen deshalb an Masse. An die Anschlußpunkte 16 und sind über die Kopplungskondensatoren 22 und 4o die beiden Hüllkurvendetektoren 24 und 42 angeschlossen. Diese besitzen die Dioden 26 und 3o bzw. 44 und 48, sowie die Kondensatoren 28 und 46. Die Polung der. beiden Dioden in den beiden Hüllkurvendetektoren 24 und 42 ist ungleich

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-G-

Zwischen

ihren Ausgängen liegt das Potentiometer 5o, dessen Abgriff mit dem AnschluBpunkt 52 verbunden ist, der den.Ausgang des Frequenzdiskriminators darstellt. Mit dem Potentiometer 5o wird die Summe gebildet.

Aus der Figur 1 ergibt sich somit für die beschriebene Schaltung, daß die Hüllkurvendetektoren 24 und 42 sowohl parallel zu der Signalquelle 1o wie auch zu den Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 liegen.

Die Figuren 2A, 2B und 2C zeigen die Impedanz Z als Funktion der Frequenz f für die beiden Oberflächsnwellen-Vorrichtungen 1Θ bzw. 36, wobei f die Mittenfrequenz der beiden zusammen betrachteten Diskriminatorfrequenzgänge (Fig. 2C) darstellt und bei f. bzw. f„ die Maxima der Impedanz 7. der einen bzw. anderen Oberflächenwellen-Vorrichtung sind. Die Frequenzen f. und f₂ werden im wesentlichen durch die Geometrie der Wandler der Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 bzw. 36 bestimmt. Ihre Frequenzen sind so gewählt, daß sich die Diskriminatorkurve der Figur 2C ergibt.

Die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und verwandeln das von der Signalquelle 1a gelieferte Signal in ein Signal mit Amplitudenmodulation oder in ein Signal mit Amplitudenschwankungen, welche von den Frequenzabweichungen von der Mittenfrequenz f abhängen. Die Funktionsweise der beiden Hüllkurvendetektoren 24 und 42 kann als bekannt vorausgesetzt werden. Am Anschlußpunkt 52 entsteht ein zusammengesetztes Aus-

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gangssignal. Der Widerstand des Potentiometers 5o stellt die notwendige Gleichstromverbindung für die beiden Kondensatoren 28 und 46 dar. Das Potentiometer 5o erlaubt die Einstellung der Diskrirninatorbalance.

Die Dioden 3o und 48 liefern den Gleichstrompfad für die beiden Kondensatoren 22 und 4o. Sie könnten durch Widerstände ersetzt werden, jedoch ergeben die Dioden bekanntlich eine<Spannungsverdoppelungswirkung.

Es sollte noch erwähnt werden,-daß das Ausgangssignal an dem Anschlußpunkt 52 phasenmäßig umgekehrt werden kann, wenn die Polung aller Dioden 26, 3o, 44 und, 48 vertauscht wird. Ähnlich ist es möglich, die Phase des Ausgangssignals zu verdrehen, indem die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 ausgewechselt werden.

Grundsätzlich könnten die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 auf separaten Substraten angeordnet werden. Es wird jedoch vorgezogen, beide auf einem gemeinsamen Substrat aus Lithium-Niobat anzuordnen. Jede Vorrichtung besitzt, wie Figur 3 zeigt, einen doppelkammförmigen Wandler auf dem Substrat 54. Beide Vorrichtungen 18 und 36 besitzen je eine Basiselektrode 56 bzw. 62 und die Gegenelektroden 58 bzw. 6o, die jeweils paarweise ineinandergreifen und außen mit den Anschlußpunkten 16 resp., 38 und 2o resp. 34 in Verbindung stehen.

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Wie erwähnt werden die Frequenzeigenschaften durch die Geometrie der Wandler 16 und 36 bestimmt. Die wesentlichen Variablen für die Bestimmung der Frequenzeigenschaften sind die Anzahl der Kammfinger, die Abstände zwischen den Fingern und die Breite der Finger. Bei typischen Wandlern werden die beiden letzteren Veränderlichen gemäß der halben Wellenlänge dimensioniert, flit anderen Worten ist die Dimensionierung der Abstände der benachbarten Finger und die Fingerbreite entsprechend der halben Wellenlänge der Frequenz f, bei dem Wandler 18 und entsprechend der Frequenz f„ bei dem Wandler 36 vorzunehmen. Die Fingeranzahl bestimmt in erster Linie die Bandbreite oder das Q des Frequenzganges, wobei"Q"mit — der Fingerpaaranzahl größer wird.

Die Kanten 64 und 66 des Substrates 54 sind vorzugsweise in einem bestimmten Winkel geschnitten, so daß Oberflächenwellen, die von den Wandlern 18 und 36 ausgehen, an den Kanten so reflektiert werden, daß keine unerwünschte Beeinflussung der Wandler 18 und 36 stattfindet. Darüberhinaus können die Kanten 64 und 66 mit Dämpfungsmaterial wie Wachs bestrichen werden, damit auftreffende Überflächenwellen absorbiert werden.

Die Figur 4 zeigt eine andere Ausbildung der Oberflächenwellen-Vorrichtungen 18 und 36 hinsichtlich der Basiselektrode. Es ist nur eine gemeinsame Basiselektrode 68 statt der getrennten Basiselektroden 58 und der Ausführung gemäß Figur 3 vorgesehen. Dementsprechend

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sind die Anschlußpunkte 2o und 38 durch einen gemeinsamen Anschlußpunkt 7a ersetzt, der dann Massepunkt beider Wandler 16 und 36 ist. Bei dieser Ausführung kann das Substrat 54 kleiner sein, da die Wandler 18 und 30 weniger Raum in Anspruch nehmen.

Wie Figur 5 zeigt, ist die Wandlerausführung gemäß Figur 4 auch so möglich, daß die Wandler 18 und 36 in Reihe paralle₍l an der Signalquelle 1o liegen. Die Schaltung muß dann entsprechend angepaßt werden. Ein Widerstand 7 verbindet diß An'schlußpunkte 12 und 16. Der Anschlußpunkt 16 ist der Eingang der beiden in Reihe liegenden Wandler 18 und 36, die bei Anschlußpunkt 7o miteinander verbunden sind. Am AnschlußpunkfT 7o ist die den beiden Wandlern 18 und 36 gemeinsame Basiselektrode 68 angeschlossen. Der Anschlußpunkt 34, also der Ausgang,liegt an Nasse. Statt dieser Ausführung kann auch die Ausführung gemäß Figur 3 verwendet werden. Auch eine Verwendung getrennter Substrate für die Wandler 18 und 36 ist möglich.

Die Schaltung gemäß Figur 5 läßt erkennen, daß am Anschlußpunkt 16 ein Kopplungskondensator 74 an einen ersten Hüllkurvendetektor 76 führt, während am Anschlußpunkt 7o der Kopplungskondensator 78 mit dem zweiten Hüllkurvendetektor 8o verbindet. Die Hüllkurvendetektoren 76 und 8o besitzen die Dioden 92 und 1oa resp. 82 und 9o sowie die parallel geschalteten Kondensator- und Widerstand-Kombinationen 96 und 98 bzw. 86 und 88. Wie die Schaltung zeigt, liegen

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die beiden Hüllkurvendetektoren 76 und 80 in Reihe gegen Masse und parallel zu den Wandlern 18 und 36, die /ihrerseits in Reihe gegen Masse liegen. Der Anschlußpunkt 74 ist der Ausgang der Schaltung. Die Dioden der beiden Hüllkurvendetektoren 76 und 80, nämlich 92 und I00 bzw. 82 und 9o sind verglichen mit der Schaltung der Figur 1 umgekehrt gepolt, so daß sich am Ausgangsanschlußpunkt 94 eine umgekehrte Phasenlage des Ausgangssignals ergibt.

Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Figur 5 ist ähnlich der in Figur 1. Die Widerstände 98 und 88 liefern den Gleichstromrückweg für die beiden Kondensatoren 96 und 86. Wenn das Eingangssignal von der "* Signalwelle 1o auf Mittelfrequenz f ist, entstehen gleich große, aber entgegengesetzt gepolte Spannungen an den Widerständen 88 und 98. Die Ausgangsspannung am Anschlußpunkt 94 ist also Null. Entsprechend entsteht ein positives oder negatives Ausgangssignal, wann das Eingangssignal von der Mittenfrequenz f in Richtung f~ oder f. abweicht.

Während die beschriebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiele gegenwärtig die günstigsten Lösungen darstellen, sind für den Fachmann Modifikationen denkbar, die jedoch vom Erfindungsgrundgedanken nicht abweichen.

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Claims

Patentansprüche:

Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Vorrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt, gekennzeichnet durch die folgende Kombination von Merkmalen:

A. Eine Signalquelle Mo) erzeugt ein Signal, das um eine
enthält;

um eine Mittenfrequenz f variierende Frequenzen

B. Eine erste und eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung (18, 36) bestehen aus je einem Wandler mit ersten und zweiten kammartigen, ineinanderragenden Elektroden (56, 58, 62, 6o), die auf einem piezoelektrischen Substrat (54) angeordnet sind, wobei -der Wandler (18) ein Impedanzrnaximum bei einer unter der Mittenfrequenz (f ) liegenden Frequenz (f,,) und der Wandler (36) ein Impedanzmaximum bei einer über der Mittenfrequenz (f ) liegenden Frequenz (fj) aufweist;

C. Beide Überflächenwellen-Vorrichtungen (18, 36) sind parallel zum Ausgang (12) der Signalquelle (1o) über Kupplungsmittel (14, 32) angeschlossen;

D. Mit jeder der Überflächenwellen-Vorrichtungen (18, 36) ist je ein Hüllkurvendetektor (24, 42) verbunden und liefert entsprechend je ein Ausgangssignal}

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E. Ein Summiermittel (5o) ist mit beiden Hüllkurvendetektoren (24, 42) verbunden und erzeugt aus beiden Ausgangssignalen ein Signal, dessen Amplitude von der Frequenzabweichung von der Mittenfrequenz (f ) des von der Signalquelle (1o) abgegebenen Signals abhängt.

2. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle (1o), die beiden Oberflächenwellen-Vorrichtungen (18, 36) und die beiden Hullkurvendemodulatoren (24, 42) jeweils parallel zu einem paar Anschlußpunkten (12, 16 und 34 sowie respektive jeweils MasseJ liegen.

3. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wandler der Oberflächenwellen-Vorrichtung (18, 36) auf einem gemeinsamen Substrat (54) angeordnet sind.

4. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Elektrodenkamm (58 resp. 62) jedes der beiden Wandler (18 resp. 36) und zwar jeweils als Basiselektrode (68), gemeinsam für beide Wandler (18 und 36) ausgebildet und angeordnet ist.

5. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Hüllkurvendemodulator (24, 42) parallel zu der betref-

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fenden Oberflächenwellen-Vorrichtung C18 bzw. 36) angeschlossen sind.

B. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden öberflächenwellen-Vorrichtungen C18, 36} und die beiden Hüllkurvendemodulatoren [24, 42} jeweils in Reihe und diese Reihenschaltungen wiederum zueinander parallel liegen.

7. Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Vorrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt, gekennzeichnet durch die folgende Kombination von merkmalen:

A. Eine Signalquelle [1aJ erzeugt ein Signal, das um eine Kit
zen enthält

um eine Mittenfrequenz Cf ] variierende Freqeun-

B. Eine erste Oberflächenwellen-Vorrichtung (18) ist parallel zur Signalquelle C1o) angeschlossen und besitzt einen Wandler mit doppelkammartigen, ineinanderragenden Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat und außerdem mit einem Impedanztnaximum bei einer unter dar Mittenfrequenz (f } liegenden Frequenz (f^)j

C. Eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung C3B} ist parallel zur Signalquelle C1o) angeschlossen und besitzt einen Wandler mit doppelkammartigen, ineinanderragenden Elektroden auf einem piezo-

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elektrischen Substrat und außerdem mit einem Impedanzmaximum bei einer über der Mittenfrequenz Cf ) liegenden Frequenz Cf^);

D. Ein erster und ein zweiter Hüllkurvendetektor C24 resp. 42) ist jeweils mit der ersten resp. zweiten Oberflächenwelien-Vorrichtung C1B resp. 3B) zur Abgabe eines ersten und eines zweiten Ausgangssignals verbunden}

E. Beide Hüllkurvendemodulatoren [24, 42) sind mit Surnmierrnitteln (98, 88) züsammengeschaltet, die aus beiden Ausgangssignalen ein Signal bilden, dessen Amplitude von der Frequenzabweichung.von der Mittenfrequenz Cf ) des von der Signalquelle C1o) abgegebenen Signals abhängt.

S. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Oberflächenwellen-Vorrichtungen [18, 36) auf einem gemeinsamen Substrat (54) angeordnet sind.

9. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Elektrodenkamm (58 resp. 62) jedes der beiden Wandler (18 resp. 36) und zwar als Basiselektrode (GB) gemeinsam für beide Wandler (18 und 36) ausgebildet und angeordnet ist.

1o. Frequenzdiskriminator mit zwei Oberflächenwellen-Vorrichtungen, wobei jede dieser Vorrichtungen einen Wandler besitzt, gekennzeichnet durch- die folgende Kombination von Merkmalen:

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A. Eine Signalquelle (1o) erzeugt ein Signal, das um eine Flittenf
Frequenzen enthält;

das um eine Mittenfrequenz (f ) variierende

B. Eine erste und eine zweite Oberflächenwellen-Vorrichtung (18, 36) bestehen aus je inem Wandler mit ersten und zweiten kammartigen, ineinanderragenden Elektroden (56, 58, 62, 6o), die auf einem· piezoelektrischen Substrat (54) angeordnet sind, wobei die Oberflächenwellen-Vorrichtungen (18, 36) Impedanzmaxima bei Frequenzen (f,,; f~) unter bzw. über der Hittenfrequenz (f ) besitzenj «,

C. Die ersten und zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtungen (18, 36) sind in Serie geschaltet und liegen als Serienschaltung parallel zur Signalquelle (1 ο ) ,·

E. Die ersten und zweiten Hüllkurvendemodulatoren (24, 42) sind jeweils parallel zu den- ersten bzw. zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtungen (18 bzw. 36) geschaltet und zusammen in Reihe verbunden, um so ein Ausgangssignal zu bewirken, das eine Amplitude besitzt, die von der Frequenzabweichung von der Flittenfrequenz (f ) des von der Signalquelle (1o) abgegebenen Signals abhängt.

11. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler der ersten und zweiten

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Oberflächonwellen-Vorrichtung (10, 36) auf einem gemeinsamen Substrat (54) angeordnet sind.

12. Frequenzdiskriminator gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Elektrodenkamm des Wandlers der ersten Oberflächenwellen-Vorrichtung (10) eine gemeinsame Basiselektrode (60) mit einem Elektrodenkamm des Wandlers der zweiten Oberflächenwellen-Vorrichtung (36) bildet.

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