DK143086B - Kobling med en gyratorresonanskreds - Google Patents

Description

(11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 143086 DANMARK (si) int.ci.3 h 03 h h/os «(21) Ansøgning nr. 3910/74 (22) Indleveret den 1 g. jul. 1974 (24) Løbedag ig. jUl. 1974 (44) Ansøgningen fremlagt og

fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 23· mar. 1 98I

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den

23. Jul. 1973> 7310197, NL

(71> N.V. PHILIPS’ GLOE2 LAMPENFABRIEKEN, Emmaaingel 29, Eindhoven, NL.

(72> Opfinder: Johannes Otto Voorman, Emmaslngel, Eindhoven, NL.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Internationalt Patent-Bureau._ (54) Kobling med en gyratorregonanskreds.

Opfindelsen angår en kobling med en gyratorresonanskreds, som har en første port og en anden port, der hver er afsluttet med en kondensator, hvilken gyratorresonanskreds indeholder en første spændingsreguleret strømkilde med positiv stejlhed og en anden spændingsreguleret strømkilde med negativ stejlhed, hvilken første spændingsregulerede strømkildes indgang er forbundet med udgangen på den anden spændingsregulerede strømkilde til dannelse af den første gyratorport, medens den anden spændingsregulerede strømkildes indgang er forbundet med udgangen på den første spændingsregulerede strømkilde til dannelse af den anden gyratorport, hvilke to spændingsregulerede strømkilder er forbundet med fødestrømkilder til indstilling af jævnstrømme, der gennemløber de to spændingsregulerede strømkilder, hvilke fødestrømkilder har styreindgange, idet hver af de nævnte jævnstrømme har en sådan relation til signalet på den respektive styreindgang, at den stiger, når 2 143086 signalstyrken på den respektive styreindgang tiltager, og mindskes, hvis signalstyrken på den respektive styreindgang aftager.

Som bekendt transformerer gyratoren i koblinger af den forannævnte type den kondensator, som er forbundet med udgangsporten, til en syntetisk selvinduktion, som sammen med den med gyratorindgangsporten forbundne kondensator danner resonanskredsen. Gyratoren har den kendte egenskab, at værdien af den syntetiske selvinduktion i princippet kan varieres på enkel måde ved variation af gyrator-konstanten G, hvilket betyder, at man ved variation af indstillingerne af variable modstande eller ved et passende valg af kvotienten for emitterområderne i de i gyratorresonanskredsen anvendte strømspejlkoblinger på enkel måde kan opnå en ændring af afstemningen af gyratorresonanskredsen.

Generelt benyttes værdien af godhedsfaktoren Q for den resonanskreds, der er opnået ved hjælp af gyratoren, som et mål for anvendeligheden af en sådan kobling. Fordelagtig anvendelse af bipolare monolitiske konstruktioner har muliggjort realisering af gyratorresonanskredse, der kan frekvensafstemmes over adskillige oktaver, og som endvidere har en forholdsvis høj godhed Q.

Der består en generel tendens til reduktion af signalforvrængningen til et minimum. Derfor drives elektroniske gyratorer sædvanligvis i klasse A. Som følge heraf må man acceptere en lav nyttevirkning på f.eks. 1,5%,og der må derfor påregnes et højt tab (varmeudvikling).

En forbedring af nyttevirkningen og dermed en formindskelse af tabet kan opnås ved, at værdien af fødestrømmen bringes til at følge ændringerne af signalværdien. Dette kan eksempelvis opnås ved spidsdetektering af det signal,hvorfra signalet til regulering af fødestrømmen afledes. Spidsdetekteringen er imidlertid langsom, og i tilfælde af en pludselig forøgelse af en signalværdi medfører den en betydelig forvrængning.

En anden mulighed for afhjælpning af den nævnte ulempe er helbølgeensret-ning af signalet, hvorhos signalet til regulering af fødestrømmen afledes fra det ensrettede signal. Denne mulighed har den fordel, at reguleringen af fødestrømmen er øjeblikkelig (uden inerti). I gyratorresonanskredse med høj godhed Q har denne metode imidlertid den ulempe, at kredsen kan blive påvirket som følge af krydsmodulation af fødestrømmen med signalet, fordi fødestrømmen har en kraftig kompo-sant på to gange signalets frekvens.

Ved opfindelsen tilsigtes tilvejebragt en anden løsning på problemet med frembringelse af et signal til regulering af fødestrømmen, og koblingen ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at den har en første kvadreringsenhed til frembringelse af kvadratet af det signal, der tilføres den første spændingsregulerede strømkildes indgang, og en anden kvadreringsenhed til frembringelse af kvadratet af det signal, der tilføres den anden spændingsregulerede strømkildes indgang, samt en additionsindretning, som er forbundet med udgangene på den første og den 143086 3 anden kvadreringsenhed til dannelse af summen af de kvadrerede signaler, hvorhos additionsindretningens udgang er koblet med fødestrømkildernes styreindgange.

Ved anvendelse af foranstaltningerne ifølge opfindelsen opnås den vigtige fordel, at reguleringen af fødestrømmen er øjeblikkelig, hvorhos intermodulationen reduceres forholdsmæssigt, når gyratorresonanskredsens godhed forøges. En formindskelse af middeltabet med en faktor på 100 er let opnåelig. Run ved et maksimalt signal over den relevante gyrator og endvidere ved den korrekte frekvens vil fø-destrømmen være maksimal. Endvidere vil en formindskelse af middelfødestrømmen resultere i en formindskelse af kredsens middelstøj. Dette medfører den fordel, at langt svagere signaler kan behandles støjfrit.

Opfindelsen er i det følgende forklaret nærmere eksempelvis på grundlag af nogle udførelseseksempler under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et kredsløbsdiagram over basiselementerne i en kobling med en gyratorresonanskreds ifølge opfindelsen, fig. 2 en mulig udførelsesform for de spændingsregulerede strømkilder, der kan anvendes i den i fig. 1 viste kobling, og fig. 3 en mulig udførelsesform for en kvadreringsenhed, der kan anvendes i den i fig. 1 viste kobling.

I fig. 1 har en gyrator 1 en første port P^-P^’ og en anden port Pg-Pg*. Den første port P^-P^’ er afsluttet med en kondensator C^, og den anden port Pg-Pg* er a^sluttet me^ en kondensator Cg. En gyrator omfatter fundamentalt to modsat parallelforbundne trin med henholdsvis positiv stejlhed og negativ stejlhed Gg. Hvert trin antages at udføre en nøjagtig omsætning af en spænding til en strøm. Således transformerer gyratoren den kondensator Cg, som er forbundet med dens anden port Pg-Pg*, til en syntetisk selvinduktion , - aQ GjGg * som sammen med kondensatoren C^, der er forbundet med den første port Pj-Pj', danner en resonanskreds.

Gyratoren i fig. 1 omfatter en første spændingsreguleret strømkilde 3 med positiv stejlhed, hvis udgang 4 er forbundet med indgangen 6 på en anden spændingsreguleret strømkilde 7 med negativ stejlhed til dannelse af den anden gyratorport Pg-Pg'. Indgangen 2 på den første spændingsregulerede strømkilde 3 er forbundet med udgangen 8 på den anden spændingsregulerede strømkilde 7 til dannelse af den første gyratorport P^-P '. Indgangen 2 på den første spændingsregulerede strømkilde 3 er forbundet med en første kvadreringsenhed 42 til frembringelse af kvadratet af det signal, som tilføres indgangen på den nævnte første spændingsregulerede strømkilde 3. Indgangen 6 på den an- 143086 4 den spændingsregulerede strømkilde 7 er forbundet med en anden kvadreringsenhed 43 til frembringelse af kvadratet af det signal, der tilføres indgangen på den anden spændingsregulerede strømkilde. Udgangene 10 og 11 på henholdsvis den første og den anden kvadreringsenhed er forbundet med en summationsindretning 44.

Spændingsregulerede strømkilder, der kan anvendes i den i fig. 1 viste kobling, er kendte, og de omfatter fundamentalt en transistor og en modstand, idet der sørges for at sikre en passende jævnstrømsforspænding af transistoren.

Til opnåelse af den høje indgangsimpedans og stejlhed, som er nødvendig til en nøjagtig spænding/strøm-omsætning, anvender man imidlertid generelt, hvad der betegnes som ækvivalente transistorer.

Fig. 2 viser en mulig udførelsesform for en sådan ækvivalent transistor. Delen 20 af den spændingsregulerede strømkilde, der er omgivet af en punkteret linie, udgør den ækvivalente transistor med en basis b, en emitter e og en kollektor c. Den ækvivalente transistor omfatter transistorer 21, 22 og 23. Transistoren 21's kollektor er tilsluttet et punkt med konstant potential over en højimpedansstrørakiIde 24. Transistoren 21*s basis og emitter er indbyrdes forbundet over en diode 26. Transistoren 21’s emitter er endvidere over en modstand 25 forbundet til et punkt med konstant potential, og over kollektor-emitterstrømvejen i transistoren 22 er den forbundet med koblingens udgang c. Basis på transistoren 22 er forbundet med en kollektor på transistoren 21 over kollektor-emitterstrømvejen i transistoren 23. Transistoren 23*s basis er forbundet med emitteren på transistoren 21. Den beskrevne spændingsregulerede strømkilde har den fordel, at den tilvejebringer en nøjagtig spænding/strøm-omsætning uafhængigt af transistorparametrene, sådan som det er beskrevet mere detaljeret i hollandsk patentansøgning nr. 7 102 199 (PHN. 5420, UKP 1 317 869). Sådanne ækvivalente transistorer muliggør realisering af gyratorer, som det f.eks. er beskrevet i "I.E.E.E. Journal of Solid State Circuits", Volume SC-7, No. 6, December 1972, sider 469 - 474.

Kvadreringsenheder eller strømmultiplikatorer af den type, der kan anvendes i den i fig. 1 viste kobling, kendes også. Fig. 3 viser en mulig udførelsesform for en sådan kvadreringsenhed. I denne figur er kun den første kvadreringsenhed 42 vist i detaljer. Den anden kvadreringsenhed 43 er af identisk opbygning, og den er vist skematisk i figuren. Kollektor og basis på en transistor 28 er forbundet med basis på en transistor 36. Emitterne på transistorerne 28 og 30 er tilsluttet et fødepunkt med f.eks. negativt potential over kollektor-emitterstrømvejen i en transistor 29. Transistoren 30's kollektor er tilsluttet et fødepunkt med f.eks. positivt potential over kollektor-emitterstrømvejen i en transistor 31. Transistoren 30's kollektor er også over en diode 32 forbundet med basis på transistoren 29. Emitterne på transistorerne 34 og 36 143086 5 er tilsluttet et fødepunkt med negativt potential over kollektor-emitterstrømve-jen i en transistor 35. Transistoren 34’s kollektor er forbundet med basis på transistoren 35 over en diode 38. Transistoren 34*s basis er forbundet med basis på transistoren 30. Kollektoren på transistoren 36, der også udgør den første kvadreringsenhed 42's udgang 10, er forbundet med et fødepunkt med positivt potential over kollektor-emitterstrønrvejen i en transistor 33. Udgangen 10 på den første kvadreringsenhed 42 og udgangen 11 på den anden kvadreringsenhed 43 er tilsluttet punktet 44, der i den viste udførelsesform udgør additionsindretningen. Additionsindretningen 44 er forbundet med et punkt med negativt potential over en serieforbindelse af dioder 45 og 47. Dioden 45 er shuntet af basis-emitterdelen af en transistor 39, hvis kollektor er tilsluttet et punkt med positivt potential. Dioden 47 er shuntet af basis-emitterdelen af en transistor 46, hvis kollektor over en diode 48 er tilsluttet et punkt med positivt potential. Transistoren 46*s kollektor er også forbundet med basiselektroderne på transistorerne 31 og 33.

Hvis gyratormodstanden G i den første spændingsregulerede strømkilde 3 overfører en strøm i^ = a sinWt i nærheden af resonansfrekvensen, vil den anden spændingsregulerede strømkilde 7’s gyratormødstand G som bekendt hovedsageligt føre en strøm i^ = a cos^t, således at der opnås en faseforskydning på 90° uden brug af yderligere midler. Ved kvadrering og addition af de to signaler i^ og i£ får man 2 2 2 2 2 a . sin u) t + a . cos aJ t = a , (1) 2 hvilket sumsignal a er et mål for amplituden af udgangssignalet. Dette sumsignal benyttes som reguleringssignal for fødestrømkilderne for gyratoren 1 og de to kvadreringsenheder 42 og 43, sådan som det nu skal forklares mere udførligt.

Til kollektoren på transistoren 28 tilføres der en strøm (I + i^), hvor I er lig med værdien af de fødestrømme, der leveres af fødestrømkilderne i den i fig. 1 viste kobling, og hvor i^ er lig »ed den forannævnte signalstrøm a sinU>t på den første spændingsregulerede strømkilde 3’s indgang. En strøm (I - i^) leveres til kollektoren på transistoren 34. Transistorerne 31 og 33 er to fødestrømkilder for kvadreringsenheden 42, og de leverer hver en fø-destrøm I til henholdsvis transistoren 30 og transistoren 36. For det i fig. 3 viste kredsløb gælder det tilnærmelsesvis: 143086 6 kT . i In I + il - In _I_ + In Ι-11 - In ^o_ f = 0 (2) q i I I I I )

^ ^ s s s s J

hvor k = Boltzmann’s konstant, T = den absolutte temperatur, q = elektronens ladning, I = mætningsstrømmen for de benyttede transistorer, og £ = udgangsstrømmen på transistoren 36’s kollektor.

o

Ud fra ligning (2) følger det, at den udgangsstrøm, der fremkommer på transistoren 36’s kollektor, er lig med (I+V (I-ili h2 (3)

L0 I I

Ud fra det foranstående følger det, at der over udgangen 10 på kvadreringsenhe- 2 den 42 vil forløbe en strøm ±^/X til summationsindretningen 44. På en måde, som er identisk med den, der er beskrevet under henvisning til kvadreringsenheden 42, frembringes der ved hjælp af kvadreringsenheden 43 en reguleringsstrøm 2 ±2 /Ij der også leveres til summationsindretningen 44. Til det formål leveres strømmene (I+i„) og (I-i„) til kollektorerne på de tilsvarende transistorer hen- ^ Z 2 holdsvis 28 og 34. Dioden 45 overfører den summerede reguleringsstrøm (i. + 2 2 * ±2 )/1= a /1· Hvis dioden 45 og transistoren 39*s basis-emitterdiode har ens elektriske egenskaber, vil transistoren 39's kollektor-emitterstrømvej overføre 2 en strøm svarende til a /1. Dioden 47 vil da overføre en strøm svarende til 2 2a /1, og hvis de elektriske egenskaber for dioden 47 og for transistoren 36's basis-emitterdiode er ens, vil transistoren 46*s kollektor-emitterstrømvej overføre en strøm med samme værdi. Denne strøm er reguleringsstrømmen for fødestrømkilderne i den i fig. 1 viste kobling. Dette er indikeret i fig. 3 for to føde- 2 •strømkilder. Reguleringsstrømmen 2a /1 overføres af en diode 48, således at der over denne diode frembringes en spænding, som påtrykkes parallelt over basis-emitter strømvej en i transistorerne 31 og 33, som udgør fødestrømkilderne for kvadreringsenheden 42. Den strøm, som gennemløber emitter-kollektorstrømvejen i de nævnte transistorer er lig med I = aVT (4) Værdien af fødestrømmen I varierer således direkte proportionalt med amplituden a af udgangssignalet, og den overstiger endvidere altid denne amplitude.

Den faktor, hvormed fødestrømmen I overstiger udgangssignalets amplitude, indstilles ved hjælp af den strømspejlkobling, der udgøres af dioden 45 og transistoren 39, og af den strømspejlkobling, der dannes af dioden 47 og transistoren 46. De to strømspejlkoblinger danner tilsammen en strømmultiplikator. 1 den beskrevne udførelsesform er den nævnte faktor V^T, fordi det er antaget, at