DE3533104A1 - Frequenzteiler mit mischstufe - Google Patents

Description

Zur Teilung hoher Frequenzen werden heute neben statischen Teilern so­ genannte dynamische Frequenzteiler verwendet. Ein dynamischer Frequenz­ teiler ist beispielsweise in der Zeitschrift "Philips technische Rundschau" 38 Nr. 2, 1979, Seite 47 - 62, insbesondere Seite 59 beschrieben. Dieser dyna­ mische Frequenzteiler weist eine Mischstufe auf, die zur Mischung von Signa­ len dient, deren Frequenzen sich um den Faktor 2 unterscheiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzteiler anzugeben, der monolythisch integrierbar ist und der sich für extrem hohe Frequenzen eignet. Diese Aufgabe wird bei einem integrierbaren Frequenzteiler mit Misch­ stufe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Frequenzteiler transistori­ siert ist und daß die Transistoren zumindest teilweise unipolare Transisto­ ren sind. Vorzugsweise sind jedoch sämtliche Transistoren des Differenzver­ stärkers unipolare Transistoren.

Unipolare Transistoren sind Transistoren, die - im Gegensatz zu bipolaren Transistoren - nur auf dem Transport einer Ladungsträgersorte (Elektronen oder Löcher) basieren. Hierzu gehören die MESFET-Transistoren und die Junction FET-Transistoren. Ein MESFET-Transistor ist bekanntlich ein Feldeffekttransistor (FET), bei dem wie bei einem Junction-FET der Querschnitt der Kanalzone durch eine Raumladungszone verändert wird. Während bei einem Junction-FET diese Raum­ ladungszone durch einen pn-Übergang erzeugt und gesteuert wird, wird die Raum­ ladungszone bei einem MESFET-Transistor durch einen Schottky-Kontakt erzeugt.

Mit unipolaren Transistoren lassen sich höhere Grenzfrequenzen erzielen als mit Bipolartransistoren, wenn sie auf Verbindungshalbleitern wie z. B. GaAs basieren. Außerdem weisen sie eine höhere Strahlungsfestigkeit auf. Der Frequenzteiler nach der Erfindung eignet sich also nicht nur für sehr hohe Frequenzen, sondern er weist auch eine besonders hohe Strahlungs­ festigkeit auf.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Frequenzteiler neben einer Mischstufe einen transistorisierten Verstärker mit unipolaren Tran­ sistoren auf, der eine weitere Erhöhung der maximalen Betriebsfrequenz, eine Vergrößerung der Breite des zulässigen Frequenzbereichs und eine höhere Eingangsempfindlichkeit bewirkt.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen erläutert.

Das Prinzip eines Frequenzteilers mit Mischer ist in Fig. 1 angegeben. Es sind prinzipiell 3 Funktionsblöcke erforderlich. Ein Eingangssignal der Fre­ quenz 2f wird mit einem Signal der Frequenz f gemischt. Neben der Frequenz f entstehen die entsprechenden Oberwellen. Letztere müssen herausgefiltert wer­ den. Die Grundwelle der Frequenz f wird verstärkt und auf den zweiten Eingang des Mischers zurückgeführt. Das Eingangssignal mit der Frequenz 2f wird dem Eingang 1 zugeführt, die Mischung des Eingangssignals mit einem Signal der Frequenz f erfolgt im Mischer 2. Die Oberwellen des durch die Mischung ent­ stehenden Mischsignals werden mittels des Tiefpasses 3 herausgefiltert. Die Verstärkung des gefilterten Signals mit der Frequenz f erfolgt durch den Ver­ stärker 4. Der Rückkopplungszweig zur Rückkopplung des verstärkten Signals auf den zweiten Eingang des Mischers 2 ist mit 5 bezeichnet.

Alle 3 Funktionen lassen sich im Prinzip mit einem transistorisierten Modu­ lator realisieren, falls dieser eine ausreichende Verstärker- und Tiefpaß­ wirkung besitzt. Besonders vorteilhaft sind Gegentaktmodulatoren, da hier beim Mischen nur die ungeraden Oberwellen entstehen. Dadurch kann die Tief­ paßfunktion leichter realisiert werden, was insbesondere bei monolythischer Integration wichtig ist. Außerdem wird der zulässige Frequenzbereich verbrei­ tert und unerwünschte Oszillatoren, die sonst bei kleinen Eingangsspannungen den Betrieb unmöglich machen, treten nicht auf.

Für die erfindungsgemäße monolithische Integration einer solchen Schaltung mit unipolaren Transistoren ist von Vorteil, wenn der Mischer als doppel­ balanzierter Modulator (Doppelgegentaktmodulator) ausgeführt ist. In diesem Fall treten keine Probleme mit der Arbeitspunkteinstellung auf, da diese nicht mehr von der prozeßbedingten Schwankung der Schwellspannung der Tran­ sistoren abhängt. Dies liegt daran, daß nun sämtliche Signale Differenzsig­ nale sind.

Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Frequenzteilers nach der Er­ findung, bei dem alle 3 Funktionen durch einen transistorisierten Modulator realisiert werden. Ein gesonderter Verstärker und ein gesonderter Tiefpaß sind also beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 nicht vorgesehen. Die Schaltung der Fig. 2 ist integrierbar. Als Halbleitermaterial für den Halbleiterkörper der integrierten Schaltung wird beispielsweise eine III-V-Verbindung wie z. B. Galliumarsenid verwendet. Die Eingangsspannung des Frequenzteilers, dessen Fre­ quenz f geteilt werden soll, liegt zwischen den Gate-Elektroden der Tran­ sistoren T 1 und T 1′. Die Gate-Elektroden von T 2 und T 2′ sowie von T 3 und T 3′ sind verbunden. Zwischen den Verbindungspunkten von T 2 und T 2′ einerseits und T 3 und T 3′ andererseits liegt die zweite Eingangsspannung des Mischers der Fre­ quenz f, die man dadurch erhält, daß die an den Lastwiderständen R ₁ anliegende Ausgangsspannung des Mischers als Differenzspannung über zwei Source-Folger (T 4, T 4′) zurückgeführt wird. Die beiden Source-Folger T 4 und T 4′ dienen zur Entkopplung und Pegelverschiebung. In Reihe zu den Source-Folgern liegen Schottky- Dioden zur weiteren Pegelverschiebung. Die Lastwiderstände R ₁ können durch Tran­ sistoren vom Verarmungstyp ersetzt werden. Die Transistoren T 5 . . . T 7 dienen als Stromquellen.

Die erforderliche Tiefpaßwirkung der geschlossenen Schleife wird durch die Grenz­ frequenz der Transistoren und die parasitären Kapazitäten erzielt. Bei Bedarf können zusätzliche Kapazitäten integriert werden.

Durch Einfügen einer extra Verstärkerstufe lassen sich die Eingangsem­ pfindlichkeit, die Breite des zulässigen Frequenzbandes und die maximale Betriebsfrequenz erhöhen. Eine solche Verstärkerstufe kann z. B. ein ein­ facher Differenzverstärker nach Fig. 3 sein, der aus den MESFET-Transi­ storen T 4 und T 4′, den Widerständen R 1 und R 2 sowie der Stromquelle -U _o besteht. Die Verstärkerstufe wird zwischen den Ausgang des Mischers und die Gate-Elektroden der Source-Folger in Fig. 2 geschaltet. Gegebenen­ falls ist durch bekannte Schaltungsmaßnahmen für eine Absenkung der Gleich­ spannung am Eingang des Verstärkers zu sorgen.

Besonders gute Teilereigenschaften lassen sich jedoch mit einem Transimpe­ danzverstärker erzielen. Dieser besitzt bis zu hohen Frequenzen eine kleine Ein- und Ausgangsimpedanz und eine konstante Übertragungsfunktion, die durch den Quotient aus Ausgangsspannung und Eingangsstrom definiert ist.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Frequenzteilers mit doppelt­ balanziertem Modulator und Transimpedanzverstärker, wobei ausschließlich MESFET-Transistoren verwendet werden. Der doppeltbalanzierte Modulator der Fig. 4 entspricht dem doppeltbalanzierten Modulator der Fig. 2. Ein Teil (T 4, T 4′, R ₄, -U _o ) des Transimpedanzverstärkers der Fig. 4 entspricht der Differenzstufe der Fig. 3. Die Transimpedanzstufe mit den Transistoren T 4 und T 4′ wird dadurch realisiert, daß je ein Widerstand (R 5, R 6) zwischen Drain und Gate der Verstärkertransistoren geschaltet wird. Zur Pegelver­ schiebung kann, wie im Beispiel gezeigt, ein Source-Folger (T 6, T 6′) - u. U. mit Schottky-Dioden - in Reihe zum Gegenkopplungswiderstand geschaltet wer­ den. Die Transistorstromquellen sind durch Stromquellensymbole dargestellt.

Durch diesen Transimpedanzverstärker lassen sich die maximale Betriebsfrequenz, die Eingangsempfindlichkeit und die Breite des zulässigen Frequenzbereichs weiter erhöhen. Die Bedeutung der beiden weiteren Source-Folger mit den Transi­ storen T 5 und T 5′ und den in Reihe liegenden Schottky-Dioden wurde bereits an Hand von Fig. 2 erläutert.

Claims (5)

1. Integrierbarer transistorisierter Frequenzteiler mit Mischstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren des Teilers zumindest teilweise unipolare Transistoren (Feldeffekttransistoren) sind und daß die Mischstufe als Gegen­ taktmodulator ausgeführt ist.

2. Frequenzteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe als doppeltbalanzierter Modulator (Doppelgegentaktmodulator) ausgeführt ist.

3. Frequenzteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er einen transistorisierten Verstärker aufweist und daß die Transistoren des Verstärkers zumindest teilweise unipolare Transistoren sind.

4. Frequenzteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Differenzverstärker ist.

5. Frequenzteiler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker ein Transimpedanz-Verstärker ist oder sich wie ein solcher ver­ hält.