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AFC-Abstimmschaltung
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Die Erfindung betrifft eine AFC-Abstimmschaltung, kombiniert mit einer
Koinzidenz-Demodulator-Schaltung für frequenzmodulierte Schwingungen, wobei an den
Ausgang des Demodulators ein- Integrationsglied angeschlossen ist, an dem die NF-Spannung
abfällt.
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Zur automatischen Abstimmung auf den eingestellten Sender werden vorwiegend
bei FM-Empfängern als Abstimmhilfe sogenannte AFC- (Automatic-Frequency-Control
) -Schaltungen verwendet. Mit Hilfe eine solchen AFC-Schaltung wird eine u#ngenaue
Empfängerabstimmung, die beispielsweise durch Bedienungsfehler oder durch Temperatureinflüsse
verursacht wird, vermieden, so daß eine automatisch optimale Empfänger abstimmung
und damit optimale Empfangsqualität gewährleistet ist.
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Das Prinzip der AFC-Abstimmung besteht darin, daß bei Fehlabstimmungen
des Empfängers eine Regelspannung bzw.
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ein Regelstrom erzeugt wird. Diese Regelgröße steuert eine im Empfängeroszillator
angeordnete Abstimmeinheit, die beispielsweise eine Kapazitätsvariationsdiode enthält.
Auf diese Weise wird der Oszillator auf die Sollfrequenz eingeregelt, so daß der
Empfänger richtig abgestimmt bzw. nachgestimmt ist.
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Die Regelgröße muß mit zunehmender Fehlabstimmung des Empfängers ansteigen,
wobei ein Polaritätswechsel der Regelgröße je nach Richtung der Verstimmung erfolgen
muß. Dieses Verhalten entspricht der bei FM-Demodulatoren bekannten sogenannten
S-Kurve, bei der eine Gleichspannung bzw. ein Gleichstrom als Funktion der Verstimmung
af von der Sollfrequenz auftritt.
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Bekannte Demodulationsschaltungen für FM-Empfänger enthalten Koinzidenz-Demodulatoren,
die in der Regel als 4-Quadranten-Multiplizierer aufgebaut sind. Diese Demodulatoren
haben gute elektrische Eigenschaften und sind leicht integrierbar. Eine geeignete
FM-Demodulator-Schaitung wird beispielsweise in der älteren Patentanmeldung P 31
27 229 beschrieben. Bei dieser Schaltung wird das frequenzmodulierte Signal über
eine Kapazität auf einen Parallels-chwingkreis gegeben, dessen Resonanz bei der
Mittenfrequenz der frequenzmodulierten Eingangsschwingung liegt. Bei dieser Mittenfrequenz
bildet der Parallelschwingkreis einen ohmschen Widerstand, so daß die Phasenlage
der Schwingkreisspannung aufgrund der Phasenverschiebung durch den vorgeschalteten
Kondensator um 900 gegenüber der steuernden Eingangsspannung verschoben ist. Wenn
sich die Frequenz des Eingangssignals infolge der Niederfrequenzmodulation verändert,
befindet sich der genannte Parallelschwingkreis nicht mehr in Resonanz, so daß auch
die Phasenlage der Schwingkreisspannung von der genannten 90"-Verschiebung abweicht.
Somit wird die Frequenzänderung des Eingangssignals in eine Phasenänderung am Parallelschwingkreis
umgewandelt. Diese in der Phase verschobene Spannung wird mit der phasenunabhängigen
Steuerspannung verglichen, um am Ausgang der Demodulationsschaltung eine Spannung
zu erhalten, die dem Naß der jeweiligen Phasenverschiebung entspricht. Zur Erzeugung
dieser Spannung dient der bereits erwähnte 4-Quadranten-Multiplizierer, dem eine
Integratorschaltung nachgeschaltet ist, an der
ein dem Niederfrequenzsignal
entsprechendes Ausgangssignal abfällt. Eine derartige Schaltung ist auch in dem
von AEG-TELEFUNKEN hergestellten integrierten Schaltkreis TBA 120 S enthalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zuyrunde, die bekannte FM-Demodulatorschaltung
mit einer AFC-Abstimmschaltung zu kombinieren, wobei die AFC-Schaltung integrierbar
sein soll, ohne daß zusätzliche externe Bauelemente benötigt werden. Diese Aufgabe
wird bei einer AFC-Abstimm schaltung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß dem ersten Demodulator eine zweite Demodulatorstufe parallelgeschaltet
ist, deren zwei wechselweise und im Verhältnis der Frequenzverstimmung stromführenden
Ausgänge Stromspiegelschaltungen ansteuern, die eine Abstimmeinheit mit positiven
und negativen Strömen in einem der Verstimmung entsprechenden Verhältnis versorgen.
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Bei der errindungsgemäßen AFC-Abstimmschaltung ist wesentlich, daß
die Abstimmeinheit, die vorzugsweise eine Ka-pazitätsvariationsdiode im Oszillatorschwingkreis
enthält, mit eingeprägten Strömen angesteuert wird, die sowohl in positiver als
auch in negativer Richtung in die Abstimmeinheit fließen können. Dadurch erfolgen
die Kapazitätsänderungen trotz der hochohmigen Last sehr schnell. Aufgrund des möglichen
Polaritätswechsels des die#Abstimmeinheit durchfließenden Summenstromes, der von
der Frequenzverstimmung direkt abhängig ist, wird die bei der erfindungsgemäßen
Schaltung bereits erwähnte S-Regelkurve eingehalten.
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Um Ströme in die Abstimmeinheit in den beiden Richtungen zu ermöglichen,
wird die Kapazitätsdiode über einen Lastwiderstand an eine Referenzspannungsquelle
angeschlossen,
so daß durch den Lastwiderstand auch in negativer
Richtung ein Strom mit einer durch eine Stromspiegelschaltung bestimmten Größe fließen
kann. Der Summenstrom durch den Lastwiderstand bestimmt dann das Spannungspotential
an der im Oszillator liegenden Kapazitätsvariationsdiode.
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Die zweite Demodulatorstufe, die zum Aufbau der AFC-Abstimmschaltung
erforderlich ist, besteht vorzugsweise aus einer 4-Quadranten-IVIultiplizierschaltung
wie sie im wesentlichen auch in der Demodulatorschaltung zur Erzeugung des NF-Signals
enthalten ist. Dieser 4-Quadranten-Multiplizierer besteht aus zwei Differenzverstärkerstufen
mit je zwei Transistoren, deren Emitterelektroden innerhalb einer Stufe miteinander
und mit einem Stromquellentransistor verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren
einer Stufe sind kreuzgekoppelt mit den Kollektoren der Transistoren der anderen
Differenzverstärkerstufe. Beide Stromquellentransistoren der beiden Differenzverstärkerstufen
arbeiten im Gegentakt. In den beiden Kollektorausgangskreisen der zweiten Demodulatorstufe
sind vorzugsweise gleich aufgebaute Stromspiegelschaltungen enthalten, die wechselweise
und zeitlich im Verhältnis der Frequenzverstimmung Ströme gleicher Größe führen,
wobei die eine Stromspiegelschaltung direkt die Abstimmeinheit speist, während die
andere Stromspiegelschaltung eine weitere als Stromsenke für den die Abstimmeinheit
durchfließenden Strom wirkende Stromspiegelschaltung ansteuert.
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Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung wird nachstehend
noch anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Die Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung.
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In Figur 2 ist eine Detailschaltung der kombinierten AFC-Abstimmschaltung
und FM-Demodulatorschaltung dargestellt.
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Die Figur 3 zeigt die S-Regelkurve.
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Die Figur-l zeigt die letzte Stufe des zwischenfrequenzverstärkers
mit den Transistoren T1 und T2 zwischen deren Basiselektroden das frequenzmodulierte
Signal UFM anliegt. Die Kollektoren der beiden Transistoren T1 und T2 sind mit dem
positiven Pol der Versorgungsspannungsquelle Us verbunden. In den Emitterzweigen
der beiden Transistoren T1 und T2 liegen die Emitterwiderstände R1 und R2, an denen
das verstärkte Eingangssignal für eine Steuerstrecke der Demodulationsstufe D1 abfällt.
Die Emitterelektroden der Transistoren T1 und T2 bilden somit die Eingangsanschlüsse
für die Demodulationsstufe, die über diese Eingangsstrecke mit dem nicht phasenverschobenen,
verstärkten Eingangssignal versorgt wird. Die phasenverschobene frequenzmodulierte
Spannung wird der Demodulationsstuie p1 über einen Phasenschieberkondensator C1
und den Trennkondensator C2 zugeführt. Der Kondensator C2 trennt die Demodulationsstufe
vom Parallelschwingkreis RS, der aus dem Kondensator C3 und der Induktivität 1 besteht.
Dieser Parallelschwingkreis hat seine Resonanz bei der Frequenz, die die Mittenfrequenz
des frequenzmodulierten Eingangssignals UFM bildet. Bei dieser Resonanzfrequenz
wirkt der Parallelschwingkreis als ohmscher Widerstand, so daß die Phasenverschiebung
des über die Kondensatoren C1 und C2 auf den Demodulator gegebenen Eingangssignals
900 beträgt. Die am Ausgang der Demodulationsstufe D1 ausgekoppelte Spannung wird
an einem Integrator aus dem Kondensator C4 und dem Widerstand R8 aufsummiert. Der
Pegel dieser Ausgangsgleichspannung UNF ist ein Maß für das jeweilige Niederfrequenzsignal.
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Der ersten Demodulatorstufe D1 ist eine zweite Demodulatorstufe D2
parallelgeschaltet, deren Eingänge mit den Eingängen der ersten Stufe verbunden
sind. Die zweite Demodulatorstufe D2 enthält zwei Differen.zverstärkerstufen
mit
über kreuz gekoppelten Kollektoren, wobei die beiden Kollektorausgangszweige symmetrisch
Stromspiegelschaltungen Ql bzw. die kombinierte Stromspiegelschaltung Q2 Q3 ansteuern.
Die Stromspiegelschaltung Ql liefert einen Strom # a in positiver Richtung an die
Abstimmeinfieit Ä, während die kombinierte Stromquelle Q2 Q3 als Stromsenke dient,
die den Strom ib aufnimmt, der von der Referenzspannungsquelle UREF geliefertwird.
Die Abstimmeinheit besteht aus der Last RA, die zwischen die Referenzspannungsquelle
UREF und die Stromspiegelschaltungen Q1 - Q3 geschaltet ist, sowie aus dem Oszillator.
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Die Verstimmung des Oszillators erfolgt mit Hilfe einer Kapazitätsvariationsdiode
Dc, die beispielsweise über einen Trennwiderstand RT an die Verbindung x zwischen
der Last RA und den Stromspiegelschaltunyen Q1 Q Q3 angeschlossen ist. Wenn der
Summenstrom über den Widerstand RA zu Null wird, liegt am Punkt X die Referenzspannung
UREF und der Oszillator wird nicht nachgeregelt. Bei allen anderen Stromverhältnissen
erfolgt eine Verstimmung gemäß der S-Regelkurve nach Figur 3.
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Die Ströme # a und ib treten wechselweise mit gleicher Größe aber
unterschiedlicher Zeitdauer auf, so daß das Zeitverhältnis der beiden Ströme ein
Maß für die Verstimmung des OsZillat~ors chwingkreises ist und der resultierende
Summenstrom über die Last RA eine die Verstimmung aufhebende Nachregelung der wirksamen
Kapazität der Kapazitätsvariationsdiode bewirkt.
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In der Schaltung gemäß Figur 2 besteht die erste Demodulatorstufe
D1 aus einem 4-Quadranten-Multiplizierer.
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Auf die Eingangselektroden der Transistoren T3 und T4, die einen Differenzverstärker
bilden, wird das verstärkte frequenzmodulierte Eingangssignal gegeben. In den Kollektorzweigen
der Transistoren T3 und T4 liegt jeweils eine weitere Differenzverstärkerstufe aus
dem
Transistorpaar T5 und T6 bzw. T7 und T8. , Die Basiselektroden
der Transistoren T6 und T7 bzw. T5 und T8 sind miteinander verbunden. Ebenso sind
die Kollektoren der Transistoren T5 und T7 sowie T6 und T8 miteinander verbunden
und an den Stromspiegelverstärker aus den Transistoren Tg, Tlo und den Widerständen
R5, R6 angeschlossen.
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Den Basiselektroden der Transistoren T5 und T8 wird über Basisvorwiderstände
R3 und R4 eine stabilisierte Gleichspannung zugeführt, durch die der Arbeitspunkt
der Demodulationsstufe optimal eingestellt werden kann. Die stabilisierte Spannung
kann beispielsweise mit Hilfe einer ~Bandgap-Reference-Schaltung" aus der Versorgunysspannung
Us gewonnen werden. Die phasenverschobene, frequenzmodulierte Eingangsspannung wird
am Parallelschwingkreis RS abgegriffen und über den Trennkondensator C2 auf die
Basiselektroden der Transistoren T5 und T8 gegeben. Der Kondensator C2 bildet praktisch
wechselstrommäßig einen Kurzschluß und trennt gleichstrommäßig die Arbeitspunkteinstellung
der Demodulationsstufe vom zwischenfrequenzverstärker. Am Kollektor des Transistors
Tlo im Stromspiegelverstärker aus den Transistoren Tg und T10 wird das Ausgangssignal
ausgekoppelt, das am Integrationsglied aus dem Widerstand R8 und dem Kondensator
C4 zum Ausgangssignal UNF integriert wird.
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Dieses Ausgangssignal UNF bildet eine Gleichspannung mit variabler
Pegelhöhe, wobei die Pegelverschiebungen dem Niederfrequenzsignal entsprechen.
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Die beiden Stromquellentransistoren T3 und T4 werden mit der Steuerspannung
UF im Gegentakt angesteuert.
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Das Integrationsglied aus dem Widerstand R8 und dem Kondensator C4
wird folglich mit Stromimpulsen angesteuert, deren zeitliche Dauer ein Maß für die
Phasenverschiebung zwischen der Eingangsspannung an der Basiselektrode des Transistors
T3 und der an der Basiselektrode des Transistors T4 ist.
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Die zweite Demodulatorstufe D2 besteht wiederum aus zwei Differenzverstärkerstufen
aus je zwei Transistoren T12 und T11 bzw. T14 und T13. Die beiden Differenzverstärkerstufen
sind bezüglich der eingangsseitigen Ansteuerung parallel zu den Differenzverstärkerstufen
des ersten Demodulators geschaltet. Die Emitterelektroden der Transistoren T und
T12 liegen folglich im Stromzweig des Stromquellentransistors T3 und die Emitterelektroden
der Transistoren T13 und T14 im Stromzweig des Stromquellentransistors T4. Die Transistoren
T12 und T13 sind an der Basis miteinander verbunden und sind an die Basen der Transistoren
T6 u#nd T7 angeschlossen.
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Die Basen der Transistoren T11 und T14 sind gleichfalls miteinander
verbunden und an die Basiselektroden der Transistoren T5 und T8 angeschlossen. Die
Kollektoren der Transistoren beider Differenzverstärkerstufen im Demodulator D sind
kreuzgekoppelt. Im gemeinsamen Kollektoren stromzweig für die Transistoren T11 und
T13 liegt der als Diode geschaltete Transistor T15 mit dem Emitterwiderstand R9
der in Verbindung mit dem Transistor T17 und dessen Emitterwiderstand R11 eine Stromspiegelschaltung
Q1 bildet. Identisch ist die Stromspiegelschaltung Q2 im Kollektorstromzweig der
Transistoren T12 und T14 aufgebaut.
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Durch die Diode T15 kann der Strom il fließen, der als Strom ib im
Transistor T17 gespiegelt wird. Dieser Strom steuert eine Stromspiegelschaltung
Q3 aus den Transistoren T19 und T20 und T21 an, so daß der Strom ib in einen Strom
i1 durch den Transistor T20 gespiegelt wird, b der aus der Abstimmeinheit A mit
Hilfe der Referenzspannungsquelle UREF über die Last RA fließt.
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Der Strom i2, der die Diode T16 durchfließen kann, wird im Transistor
T18 als Strom i gespiegelt und fließt in a die Abstimmeinheit A hinein. Der Lastwiderstand
RA wird folglich von den Strömen # a und ib in entgegengesetzten Richtungen durchflossen.
Der in Figur 2 in der Abstimmeinheit an den Verbindungspunkt X angeschlossene Kondensator
CS dient zur Absiebung von HF-Anteilen in den Ausgangsströmen ia und ibv Die Ströme
i und i2 fließen im zeitlichen Wechsel, wobei das Verhältnis der Stromflußzeiten
innerhalb einer Periode des Eingangssteuersignals der Frequenzverstimmung im Oszillatorschwingkreis
gegenüber der Sollfrequenz, auf die der Schwingkreis RS abgestimmt ist, entspricht.
Wenn die Frequenz des Eingangssteuersignals UF der Resonanzfrequenz des Schwingkreis
RS entspricht, fließen die Ströme il und i2 während 50 % der Periodendauer des Eingangssignals,
so daß die gleich großen Ströme # d und ibr die in positiver bzw. negativer Richtung
die Last Ra der Abstimmeinheit A durchfließen, sich gegenseitig kompensieren. In
jedem anderen Fall ist je nach Frequenzverstimmung der Strom # a größer als der
Strom i' bzw. umgekehrt. Dann wird die Kapab zität der Diode DC zu kleineren oder
größeren Werten verändert, bis der Oszillator auf eine Frequenz abgestimmt ist,
bei der die Mittenfrequenz des Eingangssignals UFM mit der des Resonanzschwingkreises
RS übereinstimmt.
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In der Figur 2 ist außerdem angedeutet, wie die Kapazitätsvariationsdiode
DC in den Oszillatorschwingkreis SOSC geschaltet ist. Die Referenzspannung UREF
hat bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen Wert von 2,45 V.
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In der Figur 3 ist noch die sogenannte S-Regelkurve dargestellt, die
den Zusammenhang der Frequenzverstimmung mit dem Regelstrom IAFC darstellt. Der
Regelstrom IAFC ist dabei der Summenstrom der gegenläufigen Ströme # a und ibt gemäß
Figur 2.