DE4090726C2 - Spannungserhöhungsregler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannungserhöhungsregler zur Erzeugung einer Frequenzsteuerspannung aus einer niedrigen Arbeitsspannung für einen Frequenzsynthetisierer in einem Funksender.

In einem herkömmlichen, von einer phasenstarren Schleife ausgeformten Frequenzsynthetisierer wird die Frequenz gewöhnlich durch Oszillatoren erzeugt, die von Kapazitätsdioden gesteuert werden. Konventionelle Kreise enthalten den "Collpits" und dessen verschiedene Modifikationen. Um an Raum und Kosten zu sparen, wird der Oszillator bei einer sogenannten Endfrequenz betrieben, während der Senderoszillator durch eine Steuerspannung frequenzmoduliert wird. Es ist zu wünschen, daß ein Oszillator dieser Art innerhalb eines so weiten Frequenzbereichs wie möglich mit einer und derselben Steuerspannung geregelt werden kann. Um den regelbaren Frequenzbereich ohne Vergrößerung des Steuerspannungsbereichs zu erweitern, muß das Verhältnis der Frequenzänderung zu der Änderung der Steuerspannung erhöht werden. Das Problem ist, daß in der Steuerspannung vorkommendes Geräusch auch die Trägerwelle in verhältnismäßig starkem Maße moduliert. Dies führt wiederum zu einer Verminderung des Signal-Rausch-Verhältnisses der Funksendung. In der Steuerspannung vorkommendes Geräusch kann von mehreren verschiedenen Quellen verursacht sein und es ist schwer zu filtern. Besonders schwer ist es, das Filtern von Niederfrequenzgeräusch auszuführen. Eine andere Weise zur Erweiterung des regelbaren Frequenzbereichs des Frequenzsynthetisierers ist, daß der Steuerspannungsbereich vergrößert wird. Tragbare Funkgeräte müssen jedoch Akkumulatoren als Energiequelle verwenden, wobei die typische Akkumulatorspannung etwa 12 V ist. Von verschiedenen Filter- und Reglerschaltungen verursachte Verluste vermindern weiter die anwendbare Gleichstromspannung. Eine Steuerspannung von etwa 12 V ist jedoch nicht ausreichend zur Steuerung des Frequenzsynthetisierers innerhalb eines weiten Frequenzbereichs.

Die Schrift DD 266 680 A1 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung der Abstimmspannung von Kapazitätsdioden in Radio-Kassettenrecordern. Das Oszillatorsignal des Löschoszillators, der im Aufzeichnungsteil angeordnet ist, wird spannungverdoppelt, gleichgerichtet und stabilisiert, um eine Abstimmungsspannung zu erhalten, die höher ist, als die Speisespannung im Radioteil.

Die Literaturstellen Patent Abstracts of Japan, E-503, 1986, Vol. 11, No. 138, JP 61-277367 und "Schaltungen für Gleichrichter und Stromversorgungsgeräte", in radio fernsehen elektronik, 1987, Heft 11, S. 736 zeigen ebenfalls Beispiele von Spannungsverdopplerschaltungen.

In anderen vorbekannten Lösungen hat man versucht, niedrige Arbeitsspannungen mittels durch konventionale Schaltnetzteile verwirklichte Kreise zu erhöhen. Ein Zerhackerkreis funktioniert gewöhnlich bei einer Frequenz zwischen 10 und 100 kHz. In nichtlinearen Zerhackerkreisen vorkommende Niederfrequenzstörungen breiten sich leicht in den Kreisen des Funkgeräts aus und vereinigen sich mit den Zwischen- und Niederfrequenzsignalen. Geräusch kommt auch in der Frequenzsteuerspannung des Frequenzsynthetisierers vor, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems weiter verschlechtert. Bei einem Versuch, das von dem Zerhackerkreis verursachte Geräusch zu vermindern, ist der Kreis mittels einer separaten Hybride verwirklicht worden. Dieser ist in einem metallenen Gehäuse untergebracht und die Arbeitsfrequenz des Kreises ist innerhalb eines Frequenzbereichs zwischen den Funkkanälen so gewählt worden, daß sie in den Spezifikationen des Systems nicht berücksichtigt worden ist.

Jedoch verschlechtern die vorbekannten Zerhackerkreise die Eigenschaften des Funkgeräts und nehmen ziemlich viel Raum ein, was bei ständig kleiner werdenden Gerätegrößen nicht akzeptabel ist.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei Funksendern eine Spannungs­ erhöhung zu schaffen und dabei den Einfluß von Niederfrequenzstörungen auf die Frequenzsteuerspannung zu eliminieren.

Diese Aufgabe wird mittels eines Spannungserhöhungsreglers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Grundidee der Erfindung ist, ein Hochfrequenzsignal mittels eines linear in Klasse A funktionierenden Verstärkers zu verstärken, den Gleichstrompegel des verstärkten Signals mittels einer Pegelklemmschaltung oder einer ähnlichen Gleichstrompegelsprungschaltung zu erhöhen und die Steuerspannung des Reglers auf einen erwünschten Wert zu regeln. Die Ausgangsspannung wird vorzugsweise mittels einer Rückkopplung geregelt, die eine stabilisierte, im Frequenzsynthetisierer existierende, niedere Spannung als Referenzspannung verwendet. Die Erfindung vermeidet die Probleme des Stands der Technik, weil sie keine harmonischen oder anderen Niederfrequenzrauschkomponenten im Frequenzsynthetisierer oder in den anderen benachbarten Kreisen erzeugt. Wenn der Verstärker mit einem sinusförmigen Signal gesteuert wird, wird eine einzige Hochfrequenzkomponente erzeugt, die aus der Ausgangsspannung leicht zu filtern ist. Die Ausgangsspannung des Reglers ist somit sehr rein, und außerdem dämpfen die Niederfrequenzkomponenten, denen die Spannung zugeführt wird, inhärent ein solches Hochfrequenzsignal. Deshalb kann das nach dem Stand der Technik verwendete, metallene Gehäuse weggelassen werden und die erfindungsgemäße Reglerkopplung in derselben Leiterplatte wie die anderen Kopplungen integriert werden, oder sie kann von einem integrierten Kreis verwirklicht werden. Die Größe und die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Reglers können vermindert werden, weil der Referenzoszillator des Frequenzsynthetisierers als Signalquelle verwendet werden kann. Wegen der hohen Arbeitsfrequenz des Reglers können Spulen und Kondensatoren von kleineren elektrischen und mechanischen Größen als früher verwendet werden. Die kleinen Komponenten sind auch vorteilhafter und ermöglichen die Verwendung oberflächenmontierter Komponenten und eine automatische Assemblierung. Dies verkürzt wiederum die Produktionszeit und vermindert Produktionskosten.

Dank der Erfindung kann ein herkömmlicher Schmalbandsynthetisierer innerhalb eines weiten Frequenzbereichs funktionieren, weil die Steuerspannung einen größeren Operationsbereich hat und weil der Operationsbereich der Steuerspannung sich auf einem höheren Niveau befindet als früher, woraus es sich ergibt, daß der Arbeitspunkt der eingesetzten Kapazitätsdioden sich auch innerhalb eines mehr linearen Bereichs befindet. Infolgedessen bleiben die Abweichung und das Signal-Rausch-Verhältnis eines durch die Steuerspannung modulierten Senders über den ganzen Frequenzbereich gleichmäßiger.

Im folgenden wird die Erfindung mittels einer Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügte Figur ausführlicher erläutert. Die Figur zeigt ein Schaltschema eines erfindungs­ gemäßen Spannungserhöhungsreglers.

Der Regler gemäß der Figur weist einen in Klasse A funktionierenden Verstärker auf, der aus einem Transistor Q1 besteht. Der Arbeitspunkt des Transistors Q1 ist durch Vorspannung der Basiselektrode mittels eines aus Widerständen R4 und R5 bestehenden Spannungsteilers eingestellt. Die Stabilisierung des Gleichstromarbeitspunktes wird mittels eines Emitterwiderstands R6 ausgeführt. Ein mit dem Widerstand R6 parallelgeschalteter Kondensator C5 verbindet den Emitter des Transistors Q1 bei der Arbeitsfrequenz des Transistors mit der Masse. Der Kollektor des Transistors Q1 ist durch eine Spule L2 mit der Arbeitsspannung verbunden. Die Spule L2 wirkt als hochinduktive Impedanz bei der Arbeitsfrequenz des Transistors Q1. Ein zwischen der Masse und dem mit der Arbeitsspannung verbundenen Ende der Spule L2 verbundener Kondensator C3 verbindet dieses Ende der Spule L2 bei der Arbeitsfrequenz mit der Masse.

Aus einem Referenzoszillator 1 des Frequenzsynthetisierers wird ein vorzugsweise sinusförmiges Steuersignal, das in diesem besonderen Fall eine Frequenz von etwa 12 MHz hat, durch einen aus einem Widerstand R3, einer Spule L1 und einem Kondensator C1 bestehenden Impedanzanpassungskreis zu der Basis des Transistors Q1 geleitet. Der Zweck des Impedanzanpassungskreises ist, den Eingang des Verstärkers dem Ausgang des Oszillators 1 anzupassen, um eine zweckmäßige, konjugierte Anpassung für die Verstärkung zu erreichen.

Eine aus einem Kondensator C4 und einer Diode D1 bestehende Pegelklemm­ schaltung oder ein ähnliches Ladungsinjektionselement ist mit der Kollektorelektrode des Transistors Q1 verbunden. Die Pegelklemmschaltung oder das Ladungsinjektionselement erhöht den Gleichstromspannungspegel des verstärkten, sinusförmigen Signals um eine Hälfte der Amplitude des sinusförmigen Signals. Der Kondensator C4 und die Diode D1 sind zwischen dem Kollektor des Transistors Q1 und der Arbeitsspannung in der Weise seriengeschaltet, daß die Anode der Diode D1 mit der Arbeitsspannung und die Kathode mit dem Kondensator C4 verbunden ist.

Der Verbindungspunkt zwischen der Diode D1 und dem Kondensator C4 ist mit der Anode einer als Halbwellengleichrichter fungierenden Diode D2 verbunden, während die Kathode der Diode D2 mit Filterkondensatoren C6 und C7 verbunden ist.

Die Pegelklemmschaltung funktioniert in der folgenden Weise: Während der negativen Halbperiode des beim Kollektor des Transistors Q1 anliegenden, verstärkten, sinusförmigen Signals ist die Diode D1 leitend, während die Diode D2 nichtleitend ist, wobei der Kondensator C4 durch die Diode D1 mit der Arbeitsspannung geladen wird. Während der positiven Halbperiode des sinusförmigen Signals ist die Diode D1 nichtleitend und die Diode D2 ist leitend, wobei die Ladung des Kondensators C4 durch die Diode D2 auf die Kondensatoren C6 und C7 übertragen wird. Zugleich wird die Ladung des Kondensators C4 in gewissem Maße entladen. Als Resultat der Funktion der Pegelklemmschaltung überschreitet der Gleichstrompegel des sinusförmigen Signals zwischen dem Kondensator C4 und der Diode D1 den Gleichstrompegel im Kollektor des Transistors Q1 ohne Pegelklemmschaltung um etwa die Spitze-zu-Spitze-Spannung des sinusförmigen Signals. Zum Beispiel, bei einer Arbeitsspannung von etwa 12 V ist der Gleichstrompegel des sinusförmigen Signals im Verbindungspunkt zwischen der Diode D1 und dem Kondensator C4 etwa 15 V und die Spitze-zu-Spitze-Spannung etwa 6 V, wobei die Ausgangsspannung Uout nach der Halbwellengleichrichtung und Filtrierung ca. 18 V ist. Das von der Diode D2 erzeugte, halbwellengleichgerichtete Signal wird mit der hohen Kapazität des Kondensators C6 gefiltert, wobei eine im Wesentlichen stabile Gleichspannung Uout im Ausgang des Reglers erzeugt wird. Der Kondensator C7 fungiert wiederum als Koppelkondensator bei der Arbeitsfrequenz und leitet die Arbeitsfrequenzsignalkomponente in der Ausgangsspannung Uout in die Masse.

Die von dem Transistor Q2 und den Widerständen R1 und R2 ausgeformte Rückkopplung stabilisiert die Ausgangsspannung auf einen zweckmäßigen Wert und steuert den Arbeitspunkt des Transistors Q1 so, daß der Energieverbrauch des ganzen Kreises je nach der Ladung minimiert wird. Die Ausgangsspannung Uout ist durch den aus den Widerständen R1 und R2 bestehenden Spannungsteiler mit der Basis des PNP- Transistors Q2 verbunden. Der Kollektor des Transistors Q2 ist mit dem Widerstand R4 des den Transistor Q1 vorspannenden Spannungsteilers verbunden, und der Emitter des Transistors Q2 ist mit der Quelle der Referenzspannung Uref verbunden, die beispielsweise eine im Frequenzsynthetisiererkreis schon existierende, stabilisierte Spannung ist. Der Transistor Q2 vergleicht die Referenzspannung Uref bei seinem Emitter mit einer Ausgangsspannung Uout, die für die Widerstände R1 und R2 eingestellt worden ist. Wenn die Spannung Uout den eingestellten Wert unterschreitet, wird die Spannung Uf an der Basis des Transistors Q2 reduziert, so daß der durch den Transistor fließende Strom zunimmt. Infolgedessen steigt die Kollektorspannung des Transistors Q2 an und erhöht somit das Potential der Basis des Transistors Q1 durch die Widerstände R4 und R5. Dabei steigen der Ruhestrom und die Verstärkung des Transistors Q1 an und erhöhen somit die Amplitude der im Kollektor vorkommenden, sinusförmigen Welle. Dies verursacht wiederum eine Zunahme der Ausgangsspannung gegen den Sollwert.

Wenn die Ausgangsspannung Uout zu hoch ist, vollzieht sich die Rückkopplungs­ operation entgegengesetzt.

Der Kondensator C2 stabilisiert die Operation der Rückkopplung.

Die Ausgangsspannung Uout wird mittels der Widerstände R1 und R2 in der folgenden Weise eingestellt:

Uout = [(Uref - Ueb)(R2 + R1)]/R2

wobei Ueb die Basisemitterspannung des Transistors Q2 ist.

Die Arbeitsspannungsquelle ist vorzugsweise ein Akkumulator 3.

Statt des Referenzoszillatorsignals des Frequenzsynthetisierers kann das Steuersignal des Transistors Q1 ein zu diesem Zweck erzeugtes Steuersignal mit ausreichend hoher Frequenz sein. Ein weiterer Oszillator vermehrt jedoch die Komponentenanzahl und erweitert die Größe des Kreises. Außerdem bildet ein separater Oszillator bzw. das von ihm erzeugte Hochfrequenzsignal eine weitere Rauschquelle.

Die bevorzugte, oben beschriebene Ausführungsform bringt einen sehr einfachen und vorteilhaften Spannungsregler mit effizienter Funktion zustande. Jedoch kann zum Beispiel der Verstärker, die Pegelklemmschaltung, der Gleichrichter oder die Rückkopplung in irgendeiner anderen Weise verwirklicht werden, ohne daß von der Idee der Erfindung abgewichen wird.

Claims (6)

1. Spannungserhöhungsregler zur Erzeugung einer Frequenzsteuerspannung für einen Frequenzsynthetisierer in einem Funksender aus einer niedrigen Arbeitsspannung, welcher einen von einem Oszillatorsignal gesteuerten und in Klasse A funktionierenden Verstärker (Q1) aufweist, wobei der Ausgang des Verstärkers (Q1) Mittel (D2, C6, C7) zum Gleichrichten und Filtern des verstärkten Signals aufweist, und wobei der Regler Rückkopplungsmittel (Q2, R1, R2) zum Stabilisieren der Ausgangsspannung durch Regelung der Amplitude des verstärkten Signals aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verstärkers (Q1) vor der Gleichrichtung und Filtrierung Mittel (C4, D1, L2) zur Erhöhung des Gleichstrompegels des verstärkten Signals aufweist, und daß das Oszillatorsignal ein Hochfrequenzoszillatorsignal aus dem Frequenzsynthetisierer oder ein davon abgeleitetes Hochfrequenzsignal ist.

2. Regler nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Q1) mittels eines wesentlich sinusförmigen Signals gesteuert wird.

3. Regler nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erhöhung des Gleichstrompegels des verstärkten Signals eine mit dem Ausgang des Verstärkers (Q1) verbundene Pegelklemmschaltung aufweisen.

4. Regler nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichrichter (D2) mit dem Ausgang der Pegelklemmschaltung verbunden ist.

5. Regler nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (Q1) einen Transistor aufweist, der eine Kollektorelektrode hat, die durch eine Spule (L2) mit einer hohen Impedanz bei der Arbeitsfrequenz des Transistors (Q1) mit der Arbeitsspannung verbunden ist, und daß der Regler eine Rückkopplung (Q2, R1, R2) zur Regelung der Verstärkung des Transistors (Q1) ansprechend auf die Ausgangsspannung des Reglers aufweist.

6. Regler nach einem der Patentansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegelklemmschaltung eine Serienschaltung eines Kondensators (C4) und einer Halbleiterdiode (D1) aufweist, wobei die Serienschaltung zwischen den Ausgang des Verstärkers (Q1) und die Arbeitsspannung geschaltet ist, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator (C4) und der Diode (D1) einen Ausgang aus der Pegelklemm­ schaltung bildet.