DE3840855A1 - Phasenvergleicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Phasenvergleicher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Ein Gilbert-Multiplizierer eignet sich prinzipiell zum Vergleich der Phasendifferenz zweier gleichfrequenter Signale. Ein derartiger Phasenvergleicher ist z.B. bekannt aus Gray, Meyer "Anlalysis and Design of Analog Integrated Circuits" Verlag: John Wiley, Jahr: 1977, S.570ff. Nachteilig ist bei der bekannten Schaltung, daß bei zwei exakt 90° Phasendifferenz zueinander aufweisenden gleichen Eingangssignalen (orthogonalen Eingangssignalen) nach Tiefpaßfilterung eine unerwünschte DC-Differenzspannung am Ausgang auftreten kann, bedingt durch schaltungsinterne Laufzeitunterschiede zwischen dem jeweiligen Eingang und dem Ausgang.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll die Schaltung bei zwei exakt 90° Phasendifferenz zueinander aufweisenden, ansonsten gleichen Eingangssignalen über einen weiten Frequenzbereich am Ausgang keine Differenzgleichspannung am Ausgang aufweisen.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfin­ dung gelöst. Infolge des symmetrischen Aufbaus der Anord­ nung durchlaufen beide Eingangssignale jeweils im Mittel gleiche Signalwege, so daß ein sehr präziser, in weitem Temperatur- und Frequenzbereich einsetzbarer Phasenver­ gleicher realisierbar ist, der sich außerdem leicht auf einem Halbleiter-Chip integrieren läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird die Linearität der Spannungs-Stromwandlerstufe und damit die Großsignaleigenschaften bzw. die Intermodulationsfestig­ keit des Multiplizierers verbessert.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen im einzelnen:

Fig. 1 Blockschaltbild eines symmetrischen Phasenver­ gleichers,

Fig. 2 Prinzipschaltbild der verwendeten Differenzverstärker

Fig. 3 Schaltung einer Eingangsstufe zum Aussteuern der Eingänge der Multiplizierstufen.

In Fig. 1 zeigt die linke Hälfte eine erste Anordnung PV1 eines Phasenvergleichers mit drei Differenzverstärkern D 1, D 2 und D 3 gemäß dem Stand der Technik. Die Bezugsspan­ nungselektrode B 1 des ersten Differenzverstärkers D 1 ist über eine Konstantstromquelle I 1 mit dem einen Potential K 1 der Betriebsspannung verbunden. Die beiden Eingänge E 11 und E 12 sind der Eingang F 1 der ersten Multiplizierstufe. Der eine Ausgang A 11 des Differenzverstärkers D 1 ist mit der Bezugsspannungselektrode B 2 des Differenzverstärkers D 2 und der andere Ausgang A 12 mit der Bezugsspannungs­ elektrode B 3 des Differenzverstärkers D 3 verbunden. Die Eingänge der Differenzverstärker D 2 und D 3 sind parallel geschaltet und bilden den Eingang F 2 der zweiten Multi­ plizierstufe. Die jeweils beiden Ausgänge der Differenz­ verstärker D 2 und D 3 sind über Kreuz miteinander verbun­ den, also der Ausgang A 21 ist mit Ausgang A 32 und der Ausgang A 22 mit dem Ausgang A 31 verbunden und jeweils über einen Außenwiderstand R 2 und R 3 an den anderen Pol K 2 der Betriebsspannung angeschlossen.

Um nun die unterschiedlichen Laufzeiten zwischen den Eingangssignalen der ersten Multiplizierstufe und der zweiten Multiplizierstufe auszugleichen, ist nun gemäß der Erfindung die Anordnung doppelt vorgesehen und folgender­ maßen geschaltet:

Der Eingang F 1, dem das erste Eingangssignal zugeführt wird, ist direkt mit den parallel geschalteten Eingängen der zweiten Multiplizierstufe der zweiten Anordnung PV2 verbunden und über Potentialverschiebungsstufen, die in der Figur als Dioden S 11 und S 12 symbolisiert sind, mit den Eingängen E 11 und E 12 der ersten Multiplizierstufe der ersten Anordnung PV1 verbunden.

In entsprechender Weise ist der Eingang F 2 für das zweite Eingangssignal direkt mit den parallel geschalteten Ein­ gängen der Differenzverstärker D 2 und D 3 verbunden und über die das Gleichspannungspotential verschiebenden Stufen S 21 und S 22 an die Eingänge des Differenzverstär­ kers D 12 der ersten Multiplizierstufe der zweiten Anord­ nung PV2 angeschlossen.

Die Ausgänge der beiden Anordnungen PV1 und PV2 sind parallel geschaltet. Sie besitzen somit gleiche Außen­ widerstände R 2 bzw. R 3.

In Fig. 2 ist ein ausführliches Schaltbild des in Fig. 1 als Blockschaltbild dargestellten Differenzverstärkers gezeigt. Die Bezugszeichen beziehen sich auf den Diffe­ renzverstärker D 1.

Die Differenzverstärker enthalten jeweils zwei Transi­ storen, z.B. T 11 und T 12, deren Basisanschlüsse die beiden Eingänge E 11 und E 12, deren Kollektoranschlüsse die beiden Ausgänge A 11 und A 12 und deren zusammengeschaltete Emitter die Bezugsspannungselektrode B 1 bilden. Die Differenz­ verstärker D 2 bis D 3 und D 12 bis D 32 sind in gleicher Weise aufgebaut und geschaltet.

Die Bezugszeichen und ihre Indizes sind so gewählt, daß die Zuordnung der Anschlüsse zu den Transistorelektroden ohne weiteres erkennbar ist. Eine vorteilhafte Weiterbil­ dung des Phasenvergleichers sieht vor, jeweils in der Emitterzuleitung der Transistoren T 11 und T 12 einen Wider­ stand R 11 bzw. R 12 zwischenzuschalten. Die beiden Emitter­ widerstände R 11 und R 12 sind lediglich in den Differenz­ verstärkern der ersten Multiplizierstufen, also in den Differenzverstärkern D 1 und D 12 vorgesehen und dienen dort zur Linearisierung der Strom-Spannungs-Kennlinie.

Fig. 3 zeigt ausführlich, wie eine Leitung einer Eingangs­ spannung, im Beispiel F 22, dem jeweils einen Eingang E 21 und E 31 des oberen Multiplizierers der ersten Anordnung PV1 und spannungsverschoben den Eingängen E 112 des anderen Multiplizierers der zweiten Anordnung PV2 in vorteilhafter Weise zugeführt werden kann.

Hierzu ist die Leitung F 22 am Emitter eines Transistors T 22 angeschlossen, dessen Kollektor mit dem Pol K 2 der Betriebsspannung und dessen Basis mit der Leitung F 22 der Eingangsspannung verbunden ist. Der Transistor wird folg­ lich in Kollektorschaltung betrieben.

Der Emitterstrom des Transistors wird über eine mit dem Pol K 1 verbundene Stromquelle I 2 eingeprägt und verursacht an einer von ihm durchflossenen Reihenschaltung von Dioden S 22 die erforderliche Potentialdifferenz zwischen den Eingängen E 21 und E 31 der zweiten Multiplizierstufe der Anordnung PV1 und dem Eingang E 112 der ersten Multipli­ zierstufe der Anordnung PV2.

In gleicher Weise sind die anderen Leitungen F 21, F 11 und F 12 mit den ihnen zugeordneten Eingängen verbunden, so daß hierzu eine ausführliche Beschreibung entfallen kann.

Die über Kreuz symmetrische Ansteuerung der Anordnungen PV1 und PV2 gemäß der Erfindung hat folgende Eigenschaften:

Durch die Addition einer im Betrag gleichen, im Vorzeichen entgegengerichteten Laufzeitdifferenz wird eine für beide Eingangssignale im Mittel gleiche Laufzeit erzielt.

Bei Anwendung der Multipliziererstruktur als Phasenver­ gleicher (Ausfilterung der Gleichspannungskomponente) wird insbesondere eine Verringerung der durch Laufzeitunter­ schiede verursachten Offsetspannung über einen weiten Frequenzbereich erzielt.

Claims (4)

1. Phasenvergleicher mit einer ersten Anordnung von drei Differenzverstärkern (D 1, D 2, D 3) bei der die Bezugs­ spannungselektrode (B 1) des ersten Differenzverstärkers (D 1) über eine Konstantstromquelle (I 1) mit dem einen Pol (K 1) der Betriebsspannung, die beiden Eingänge (E 11, E 12) des ersten Differenzverstärkers (D 1) mit dem Eingang (F 1) der ersten Multiplizierstufe und der eine Ausgang (A 11) des ersten Differenzverstärkers (D 1) mit der Bezugsspan­ nungselektrode (B 2) des zweiten Differenzverstärkers (D 2) und der andere Ausgang (A 12) mit der Bezugsspannungselek­ trode (B 3) des dritten Differenzverstärkers (D 3) verbunden sind, bei der jeweils ein Eingang des zweiten Differenz­ verstärkers (D 2) und ein Eingang des dritten Differenzver­ stärkers (D 3) miteinander (E 21 mit E 31 und E 22 mit E 32) verbunden und an den Eingang (F 2) der zweiten Multipli­ zierstufe angeschlossen sind, bei der die beiden Ausgänge (A 21, A 22) des zweiten Diffe­ renzverstärkers (D 2) mit den beiden Ausgängen (A 31, A 32) des dritten Differenzverstärkers (D 3) über Kreuz miteinan­ der verbunden sind (A 21 mit A 32 und A 22 mit A 31) und jeweils über einen Außenwiderstand (R 2, R 3) an den anderen Pol (K 2) der Betriebsspannung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit den drei Differenz­ verstärkern doppelt vorgesehen ist und das erste Eingangs­ signal des Phasenvergleichers über den Eingang F 1 der ersten Multiplizierstufe (D 1) der ersten Anordnung (PV1) und der zweiten Multiplizierstufe (D 22, D 32) der zweiten Anordnung (PV2) und das zweite Eingangssignal des Phasen­ vergleichers über einen Eingang (F 2) der zweiten Multi­ plizierstufe (D 2, D 3) der ersten Anordnung (PV1) und der ersten Multiplizierstufe (D 12) der zweiten Anordnung (PV2) zuführbar ist (Fig. 1).

2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Differenzverstärker zwei Transistoren enthält, deren Basisanschlüsse die beiden Eingänge, deren Kollektoran­ schlüsse die beiden Ausgänge und deren zusammengeschaltete Emitter die Bezugsspannungselektrode bilden (Fig. 2).

3. Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim jeweiligen Differenzverstärker (D 1, D 12) der ersten Multiplizierstufe in den jeweiligen Emitterzuleitungen der mit der Bezugsspannungselektrode (B 1, B 12) zu verbindenden Emitter jeweils ein Widerstand (R 11, R 12) geschaltet ist.

4. Verstärker nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Außenwiderstän­ de (R ₂, R ₃) eine Kaskodenstufe oder eine Transimpedanz­ stufe oder/und eine resonante Last geschaltet sind.