DE3824016A1 - Mischerschaltung fuer niedrige versorgungsspannungen und geringe phasendifferenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Mischerschaltung mit bipolaren Transistoren, die als Frequenzmischer, Phasen­ diskriminator, FM-Demodulator oder Multiplizierer ein­ gesetzt werden kann und die sich durch niedrigen Span­ nungsbedarf und geringe Laufzeit- bzw. Phasendifferenzen auszeichnet.

Für die genannten Aufgaben wird vor allem der Stromver­ teilungsmultiplizierer nach Gilbert eingesetzt, der aus drei miteinander verkoppelten Differenzstufen besteht. Die Eingänge der ersten beiden Differenzstufen, d.h. die Basen des ersten bis vierten Transistors, sind mit der X-Signal-Quelle verbunden, während die Eingänge der dritten Differenzstufe, d.h. die Basen des fünften und sechsten Transistors, mit der Y-Signal-Quelle verbunden sind. Die Ausgänge der ersten beiden Differenzstufen, d.h. die Kollektoren des ersten bis vierten Transistors, sind über Kreuz verbunden. Das hat zur Folge, daß, wenn die vom X-Signal gespeisten ersten beiden Differenzstu­ fen vom gleichen Arbeitsstrom durchflossen werden, die Ausgangsströme der beiden Differenzstufen zueinander gegenläufig sind und kein resultierendes Ausgangssignal zustande kommt. Die Ausgänge der dritten Differenzstufe, d.h. die Kollektoren des fünften und sechsten Transi­ stors, sind mit den Emittern der ersten und zweiten Differenzstufe verbunden. Die Emitter der dritten Dif­ ferenzstufe werden von einer Stromquelle versorgt.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung kann als bekannt vorausgesetzt werden. Der Versorgungsspannungsbedarf besteht aus etwa 4 Flußspannungen (Basis-Emitter- Spannungen), wenn man den Spannungsbedarf für die Stromquelle und die Arbeitswiderstände mit je einer Flußspannung einschätzt. Für die Standard-Silizium- Technologie folgt daraus eine Mindest-Versorgungs­ spannung von etwa 2.5...3 V. Bei Verwendung als Phasen- Diskriminator spielt die Symmetrie der Laufzeiten über X- und Y-Eingang eine wichtige Rolle. Naturgemäß ergibt sich bei dieser Schaltung eine Differenz dieser Lauf­ zeiten, da das der dritten Differenzstufe zugeführte Y-Signal eine Stufe mehr zu durchlaufen hat als das X-Signal.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mischerschaltung mit niedrigem Versorgungsspannungsbedarf und guter Laufzeit­ symmetrie anzugeben. Diese Aufgabe wird durch eine Mischerschaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Schaltung nach der Erfindung ist statt einer ersten und zweiten Differenzstufe ein Quartett von Transistoren vorgesehen, wobei die Emitter der vier Tran­ sistoren untereinander und mit einer Stromquelle verbun­ den sind und den vier Eingängen bzw. Basen vier Linear­ kombinationen ax + bx der Eingangssignale x, y zuge­ führt werden, die in einer Summierschaltung erzeugt werden.

Die Verminderung des Spannungsbedarfs ergibt sich bei der Schaltung nach der Erfindung durch die Einsparung der dritten Differenzstufe. Die Schaltung nach der Er­ findung kann mit Versorgungsspannungen arbeiten, die noch unter 2 V liegen. Weiter ist bei der Schaltung nach der Erfindung volle Symmetrie hinsichtlich der Laufzeiten des X- und Y-Signals leicht zu gewährleisten, weil die multiplizierende Kernschaltung in der Zufüh­ rung des X- und Y-Signals keine Unterschiede aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der erfindungsge­ mäßen Lösung,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform der Summierschaltung, die nur Widerstände enthält,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Summierschal­ tung mit vier Differenzstufen,

Fig. 4 eine Ausführungsform der Summierschaltung mit zwei Differenzstufen.

Die Grundform der erfindungsgemäßen Lösung ist in Fig. 1 dargestellt. Sie besteht aus vier bipolaren Transistoren T 1... T 4, deren Emitter untereinander und mit einer Stromquelle Io verbunden sind, deren Basen der Reihe nach an die vier Ausgänge A 1... A 4 einer Summierschaltung SS angeschlossen sind. Bei der Schaltung der Fig. 1 bilden die miteinander verbundenen Kollektoren des ersten und vierten Transistors T 1, T 4 die erste Ausgangsklemme B 1 und die miteinander verbundenen Kollektoren des zwei­ ten und dritten Transistors T 2, T 3 die zweite Ausgangs­ klemme. Zwei Signalquellen X, Y sind mit Eingängen Ex, Ey der Summierschaltung SS verbunden. Die Aufgabe der Summierschaltung SS besteht darin, lineare Kombinatio­ nen der Signale x, y der Signalquellen X, Y zu bilden. Im einfachsten Fall sind das die Kombinationen ax+by, ax-by, -ax+by und -ax-by. Dabei sind a und b reelle Konstanten, z.B. a = b = 1/4. Die Fig. 2 zeigt ein ein­ faches Beispiel, wie man diese Kombinationen herstellen kann. Die Signalquellen X, Y sind symmetrisch angenommen, weshalb der erste Anschluß Ex 1 der Signalquelle X das Signal x/2 und der zweite Anschluß Ex 2 das Signal -x/2 führt. Entsprechend führen die Anschlüsse Ey 1, Ey 2 der Signalquelle Y die Signale y/2, -y/2. Widerstände Ra 1... Ra 4 verbinden die Eingangsklemmen Ex 1, Ex 2, Ey 1, Ey 2 mit den Ausgangsklemmen A 1, A 2, A 3, A 4 in der in Fig. 2 aufgezeigten Weise. Unter der Annahme Ra 1 = Ra 2 = ... = Rb 4 ergibt sich, daß der Ausgang A 1 das Signal (a + b)/4 führt, der Ausgang A 2 das Signal (a- b)/4 führt usw., wie es nach obigem vorgesehen ist.

Das Ausgangssignal I 1- I 2 kann berechnet werden, wenn man idealisierte Transistoren mit der Übertragungs­ funktion

I _c = I_Co · (e ^Ube/Ut -1)

ansetzt und die Basisströme vernachlässigt. Das Ergeb­ nis lautet

Dabei ist Ut die Temperaturspannung (Ut = kT/q = 26 mV bei 300°k) und tanh bedeutet die hyperbolische Tangens­ funktion. Es ist die gleiche Formel, wie man sie für den Mischer gemäß dem Stand der Technik erhält, wenn man für ax die Eingangsspannung der ersten und zweiten Differenzstufe und für by die Eingangsspannung der dritten Differenzstufe einsetzt. Für nicht zu große Signale kann man die Reihenentwicklung des tanh nach dem ersten Glied abbrechen und erhält

also die erwünschte Multiplikationsfunktion in allen 4 Quadraten. Die Nichtlinearität der Kennlinie kann da­ durch entzerrt werden, daß man die Eingangssignale x, y durch die Umkehrfunktion tanh ^-1 gegenläufig verzerrt, was durch einfache Dioden oder Transistor-Schaltungen leicht möglich ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Form der Summierschaltung hat den Nachteil, daß durch die Widerstände Verluste entstehen. Dagegen zeigt Fig. 3 eine Summierschaltung mit 4 Differenzstufen D 1... D 4, die mit Verstärkung arbeiten können. Die erste und zweite Differenzstufe D 1, D 2 ist mit ihren Eingängen an die Signalquelle X angeschlossen. Die dritte und vierte Differenzstufe D 3, D 4 ist an die Signalquellen Y angeschlossen. Jede Differenzstufe wird von einer Stromquelle I 1, I 2, I 3, I 4 emitterseitig versorgt. Es ist auch möglich, die Strom­ quellen I 1, I 2 und die Stromquellen I 3, I 4 zusammenzu­ fassen und die jeweils zugeordneten 4 Emitter mitein­ ander zu verbinden. Weiter sind vier Arbeitswiderstän­ de R 1, R 2, R 3, R 4 vorgesehen, die mit einem Anschluß mit einer Versorgungsspannung Ur und mit dem anderen Anschluß der Reihe nach mit je einem Ausgang A 1, A 2, A 3, A 4 verbunden sind. Die acht Kollektor-Ausgänge der vier Differenzstufen sind so mit den Arbeitswiderständen verbunden, daß sich die vorgesehenen Linearkombinatio­ nen ax+by, ax-by usw. ergeben, wie im einzelnen aus der Zeichnung bzw. aus Anspruch 4 ersichtlich ist.

Gemäß dem Prinzipschaltbild von Fig. 1 werden die 4 Transistoren T 1... T 4 von einer gemeinsamen Stromquelle Io versorgt. Daraus erfolgt die Eigenschaft der Gleich­ taktunterdrückung. Das bedeutet, daß eine Signalkompo­ nente v, die allen 4 Ausgängen A 1, A 2, A 3, A 4 der Sum­ mierschaltung gleichermaßen zuaddiert wird, ohne Ein­ fluß auf die Funktion bleibt:

A 1: ax+by+v
A 2: ax-by+v
A 3:-ax+by+v
A 4:-ax-by+v.

Von praktischem Interesse sind die Fälle a) v = ax und b) v = ax+bx, weil sich dadurch Vereinfachungen der Summierschaltung ergeben. Die Signalkombinationen an den 4 Ausgängen nehmen dann folgende Form an

Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung entspricht dem Fall a) und hat als Hintergrund die Ankopplung eines unsymmetrischen Oszillators als Signalquelle X. Der zweite Anschluß Ex 2 der Signalquelle X ist mit der Ver­ sorgungsspannung Ub verbunden und führt keine Signal­ spannung. Die Signalspannung x der Signalquelle X wird dem ersten Anschluß Ex 1 zugeführt. Die Signalquelle Y speist zwei Differenzstufen D 3, D 4, deren 4 Kollektor­ ausgänge der Reihe nach mit den 4 Ausgängen A 1, A 2, A 3, A 4 der Summierschaltung und 4 Arbeitswiderständen R 1, R 2, R 3, R 4 verbunden sind. Die Arbeitswiderstände R 1 und R 2 der ersten Differenzstufe führen zum Anschluß Ex 1. Die Arbeitswiderstände R 3 und R 4 führen zum An­ schluß Ex 2. Es ergeben sich dann die unter a) aufge­ führten Signalkombinationen mit a = 1/2. Von Vorteil ist die unsymmetrische Einleitung des X-Signals, wie es bei den 1-Pin-Oszillatoren integrierter Schaltungen naturgemäß auftritt.

Claims (5)

1. Mischerschaltung mit vier bipolaren Transistoren (T 1... T 4), wobei die Kollektoren des ersten und vierten Transistors eine Ausgangsklemme (B 1) und die Kollektoren des zweiten und dritten Transistors die andere Ausgangs­ klemme (B 2) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter der vier Transistoren (T 1... T 4) untereinander und mit einer Stromquelle (Io) verbunden sind, daß eine Summierschaltung (SS) mit je einem Eingang (Ex, Ey) für ein X-Signal und für ein Y-Signal vorgesehen ist, die vier Linearkombinationen der beiden Eingangssignale bildet und diese an 4 Ausgängen (A 1, A 2, A 3, A 4) abgibt und daß der erste Ausgang (A 1) mit der Basis des ersten Transistors (T 1), der zweite Ausgang (A 2) mit der Basis des zweiten Transistors (T 2), der dritte Ausgang (A 3) mit der Basis des dritten Transistors (T 3) und der vierte Ausgang (A 4) mit der Basis des vierten Transi­ stors (T 4) verbunden ist.

2. Mischerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Summierschaltung an den 4 Ausgängen (A 1... A 4) die Linearkombinationen ax+by, ax-by, -ax+by und -ax-by bildet.

3. Mischerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge (Ex, Ey) symmetrisch angesteuert werden, daß der erste Ausgang A 1 über je einen Widerstand (Ra 1, Rb 1) mit dem ersten Anschluß (Ex 1) des ersten Eingangs und dem ersten Anschluß (Ey 1) des zweiten Eingangs verbunden ist, daß der zweite Aus­ gang (A 2) über je einen Widerstand (Ra 2, Rb 3) mit dem ersten Anschluß (Ex 1) des ersten Eingangs und dem zweiten Anschluß (Ey 2) des zweiten Eingangs verbunden ist, daß der dritte Ausgang (A 3) über je einen Widerstand (Ra 3, Rb 2) mit dem zweiten Anschluß (Ex 2) des ersten Eingangs und dem ersten Anschluß (Ey 1) des zweiten Eingangs ver­ bunden ist und daß der vierte Ausgang (A 4) über je einen Widerstand (Ra 4, Rb 4) mit dem zweiten Anschluß (Ex 2) des ersten Eingangs und dem zweiten Anschluß (Ey 2) des zweiten Eingangs verbunden ist.

4. Mischerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Eingänge (Ex, Ey) der Summierschaltung (SS) mit den Eingängen von je zwei Differenzstufen (D 1, D 2; D 3, D 4) verbunden sind, daß vier Arbeitswiderstände (R 1, R 2, R 3, R 4) vorgesehen sind, die zwischen einer Versorgungsspannung (Ur) und jeweils einem Ausgang (A 1, A 2, A 3, A 4) geschaltet sind, und daß die Ausgänge der ersten Differenzstufe (D 1) mit dem ersten und dem dritten Ausgang (A 1, A 3), die Ausgänge der zweiten Differenzstufe (D 2) mit dem zweiten und dem vierten Ausgang (A 2, A 4), die Ausgänge der dritten Differenzstufe (D 3) mit dem ersten und dem zweiten Ausgang (A 1, A 2) und die Ausgänge der vierten Differenz­ stufe (D 4) mit dem dritten und dem vierten Ausgang (A 3, A 4) verbunden sind.

5. Mischerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der erste Anschluß (Ex 1) des ersten Eingangs über je einen Widerstand (R 1, R 2) mit dem ersten und dem zweiten Ausgang (A 1, A 2) verbunden ist, daß der zweite Anschluß (Ex 2) des ersten Eingangs über je einen Widerstand (R 3, R 4) mit dem dritten und dem vierten Ausgang (A 3, A 4) verbunden ist, daß der zweite Eingang (Ey) mit den Eingängen zweier Differenz­ stufen (D 3, D 4) verbunden ist, die aus je zwei bipolaren Transistoren (T 9, T 10; T 11, T 12) bestehen, und daß die Kollektoren der Transistoren (T 9, T 10, T 11, T 12) der Reihe nach mit dem ersten bis vierten Ausgang (A 1, A 2, A 3, A 4) der Summierschaltung verbunden sind.