DK163770B - Frekvensmultiplikator - Google Patents

Description

DK 163770 B

Opfindelsen angår en frekvensmultiplikator.

Der kendes frekvensmultiplikatorer, der normalt indeholder en resonanskreds i udgangen fra et aktivt element såsom en junctiontransistor.Under driften for-5 vrænges et indgangssvingningssignal, således at der på udgangen af det aktive element frembringes grundfrekvensen og de harmoniske deraf. Udgangsfrekvensen fra frekvensmultiplikatoren udvælges ved afstemning af en resonanskreds, der sædvanligvis indeholder en selvin-10 duktion, der udgøres af en transformator eller en med udtag forsynet spole, der også benyttes til at koble frekvensmultiplikatoren til det nærmest følgende trin. Anvendelsen af sådanne selvinduktioner har et antal u-lemper, idet der, hvis der gøres brug af et integreret 15 kredsløb må kræves ekstra ben. Selvinduktioner er forholdsvis kostbare sammenlignet med prisen for andre komponenter og kredsløbets Q-værdi reduceres som følge af driften af en lavimpedansbelastning, der udgøres af det nærmest følgende trin. En ulempe ved en lille Q-værdi, 20 navnlig i højfrekvensdelene i et kredsløb er, at strømforbruget er stort, hvilket specielt er relevant, når det drejer sig om frekvensmultiplikatorer til batteridrift i transportabelt radioudstyr såsom personsøgere.

Med den foreliggende opfindelse tilsigtes til-25 vejebragt en frekvensmultiplikator til anvendelse ved radiofrekvenser, hvor amplituden og godhedsfaktoren opretholdes på et højt niveau uden at der kræves et for stort strømforbrug.

I henhold til opfindelsen er der tilvejebragt en 30 frekvensmultiplikator, der indeholder midler til modtagelse af et indgangssignal og til frembringelse af grundfrekvensen og harmoniske af frekvensen af indgangssignalet og et frekvensudvælgende kredsløb forbundet med udgangsterminalerne fra nævnte midler til udvælgelse af 35 frekvensen af det signal,der frembringes over disse terminaler og som udmærker sig ved et til udgangsterminalerne forbundet kredsløb med negativ modstand.

2

DK 163770 B

I henhold til opfindelsen er der desuden tilvejebragt en frekvensmultiplikator, hvori midlerne til frembringelse af grundfrekvensen omfatter et differensforstaer-kerkredsløb med et første og et andet aktivt element af 5 samme ledertype, et oscillatorkredsløb, der er forbundet med en styreelektrode i det første aktive element og det frekvensudvælgende kredsløb omfatter en resonanskreds, der er indkoblet mellem udgangselektroderne i det første og det andet aktive element, og som kan af-10 stemmes til oscillatorfrekvensen eller en ulige harmonisk deraf, idet der frembringes et udgangssignal over enderne af resonanskredsen og et kredsløb med negativ modstand forbundet over enderne af resonanskredsen.

Kredsløbet med negativ modstand reducerer den 15 dæmpende effekt på resonanskredsen, der hidrører fra det nærmest følgende trins lille impedans,og forøger således Q-værdien. Den store Q-værdi fjerner uønskede produkter i udgangssignalet fordi resonanskredsen kan gøres mere selektiv. De aktive elementer drives derfor ikke så 20 hårdt, og dette medfører et mindre strømforbrug end tilfældet er ved kredsløb med lille Q-værdi.

En ren negativ modstand er vanskelig at tilvejebringe, og i en udførelsesform for den foreliggende opfindelse indeholder kredsløbet med negativ modstand et 25 tredje og et fjerde aktivt element af samme ledertype, hvis indgangselektroder er koblet til hinanden og til en strømkilde, hvis udgangselektroderer koblet til hver sin side af resonanskredsen, og hvis styreelektroder er forbundet over kors med udgangselektroderne i henholdsvis 30 det tredje og fjerde aktive element.

Hvis det ønskes, kan der anbringes resistive elementer mellem indgangselektroderne i det tredje og det fjerde aktive element og strømkilden til tilvejebringelse af en stor signallinearitet. Tilføjelsen af disse 25 resistive elementer har imidlertid den virkning, at strømforbruget forøges.

DK 163770B

3

Udgangselektroderne i det første og det andet aktive element kan være forbundet med resonanskredsen over modstande. Disse modstande reducerer koblingen mellem differensforstærkeren og den afstemte belastning og fjer-5 ner derfor noget af den dæmpning af den afstemte kreds, der hidrører fra tilslutningen af det nærmest følgende trins belastning.

Anvendelsen af modstande mellem udgangselektroderne i frekvensmultiplikatoren og den ene af fødelednin-10 gerne bevirker, at der ikke kræves en transformator eller en med udtag forsynet spole til at koble frekvensmultiplikatoren til det nærmest følgende trin.

Hvis det ønskes, kan der tilvejebringes midler til indstilling af størrelsen af den negative modstand, så-15 ledes at den resulterende modstand over resonanskredsen er negativ, således at kredsen udgør en oscillator, der er låst til den pågældende harmoniske af indgangsfrekvensen.

De fire aktive elementer kan indeholde halvleder-20 elementer, f.eks. junctiontransistorer eller MOS-transis-torer, af samme ledertype.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et skematisk blokdiagram over en frek-25 vensmultiplikator ifølge opfindelsen, og fig. 2 et skematisk koblingsdiagram over en udførelsesform for opfindelsen.

Den i fig. 1 viste frekvensmultiplikator indeholder et frekvensmultiplikatortrin 10, hvortil der er 30 koblet en oscillator 12. Frekvensmultiplikatortrinnet 10 kan indeholde en begrænsende forstærker, der frembringer et udgangssignal, der er beriget med hensyn til ulige harmoniske af grundfrekvensen fra oscillatoren 12. Til udvælgelse af en speciel harmonisk såsom den 35 tredje harmoniske, er en afstemmelig LC-parallelreso-nanskreds 14 forbundet med udgangen fra frekvensmultiplikatortrinnet 10.

4

DK 163770 B

En ikke vist belastning er forbundet med udgangen 16, 18 fra frekvensmultiplikatortrinnet 10. Belastningen er vist med punkterede linier som en modstand 20, og i størrelsen af denne modstand er også indeholdt 5 modstandsværdien af resonanskredsen 14.

Et problem med den indtil nu beskrevne kobling er, at ved tilføjelse af det ikke viste nærmeste følgende trin forbindes dettes resistive belastning parallelt med resonanskredsen 14 og bevirker en dæmpning, der fører 10 til en nedsat selektivitet. Til nedsættelse af denne virkning er en negativ modstand 22 forbundet over udgangen 16, 18, således at koblingens Q-værdi forøges, hvilket fører til en nedsættelse af effektforbruget.

Den i fig. 2 viste kobling er indrettet til at 15 give et udgangssignal med en frekvens på tre gange indgangsfrekvensen og til at drive det efterfølgende trin med en anden differéhsspænding · af tilstrækkelig amplitude og spektral renhed.

Frekvensmultiplikatortrinnet 10 indeholder en 20 differensforstærker, der udgøres af NPN-transistorer TR1 og TR2. Transistorernes emittere er forbundet med hinanden, og er over en strømkilde 24 forbundet med en ledning med lav spænding. Kollektorerne i transistorerne TR1 og TR2 er forbundet med en ledning 25 + Vcc med positiv spænding over modstande henholdsvis R1 og R2. Oscillatoren 12, der frembringer indgangsfrekvensen er forbundet mellem den positive føde-ledning og basis i transistoren TR1. Basis i transistoren TR2 er forbundet med den positive fødeledning 30 + Vcc. En resonanskreds 14, der indeholder en selv induktion L1 og en kondensator C1, der er paralle1-forbundet med hinanden, er ved hjælp af modstande R3 og R4 forbundet til kollektorerne i transistorerne henholdsvis TR1 og TR2. Udgangssignalet fra diffe-35 rens for stærkeren fås over resonanskredsen 14 og fø res til udgangen 16, 18.

5

DK 163770 B

Koblingen 22 med negativ modstand er forbundet over udgangen 16, 18 og indeholder differentielt forbundne NPN-transistorer TR3 og TR4. Kollektorerne i transistorerne TR3 og TR4 er forbundet med forbin-5 delsespunkterne mellem resonanskredsen 14 og modstandene R3 og R4. Emitterne i transistorerne TR3 og TR4 er over modstande R5 og R6 forbundet med en anden strømkilde 26, der er forbundet med ledningen med lav spænding. Basiselektroderne i transistorerne 10 TR3 og TR4 er krydsforbundet til kollektorerne i de andre transistorer henholdsvis TR4 og TR3 i forskelsforstærkeren til tilvejebringelse af den negative modstand.

Hvis der ses bort fra kredsløbet 22 med negativ 15 modstand, virker resten af koblingen på følgende måde.

Den differensforstærker, . der udgøres af transistorerne TR1 og TR2 virker som en klippende forstærker over for signaler, der er større end tilnærmelsesvis 200 mV spids-til-spids. Forskelsspændingen på kollektorerne i 20 transistorerne TR1 og TR2 bliver derfor tilnærmelsesvis en firkantspænding, der indeholder grundfrekvensen og de ulige harmoniske af denne frekvens. Den afstemmelige resonanskreds 14 er indrettet til at udvælge en frekvens, der skal tilføres udgangen 16, 18 25 og i det foreliggende eksempel er resonanskredsen 14 afstemt til den tredje harmoniske af frekvensen fra oscillatoren 12. En ulempe ved dette arrangement er, at kollektormodstandene R1 og R2 i differensforstærkeren effektivt er anbragt parallelt med resonanskred-30 sen 14 og medfører en meget stor dæmpning af denne kreds. Dæmpningen bliver endnu værre, når det nærmest følgende trins belastning tilføjes udgangen 16, 18.

En nedsættelse af dæmpningen kan opnås ved at reducere koblingen mellem differensforstærkeren og den af-35 stemte kreds, og ved at kompensere for det efterfølgende trins belastningsmodstand ved hjælp af den negative modstand i form af kredsløbet 22.

6

DK 163770 B

Ved forbindelse af modstandene R3 og R4 mellem enderne af resonanskredsen 14 og kollektorerne i transistorerne henholdsvis TR1 og TR2 reduceres koblingen mellem forskelsforstærkeren og den afstemte kreds.

5 Ved forbindelse af modstandene R1 og R2 med de to ender af selvinduktionen L1 er det ikke nødvendigt med en transformator eller en med udtag forsynet spole til afledning af udgangssignalet.

Kredsløbet med negativ modstand er baseret på, at 10 basiselektroderne i transistorerne TR3 og TR4 er krydsforbundet, således at den normale transkonduktans af forskelsforstærkeren med transistorerne TR3 og TR4 benyttes som en negativ konduktans af samme størrelse, dvs.: 15 g = Io/(4.Vt) hvor I er forstærkerens "tail"-strøm og Vt er spændingsækvivalentet af temperaturen, der er givet ved

Vt = k-T/g ^ hvor k er Boltzmann's konstant, 1,38 x 10 ^J/°K, T er den absolutte temperatur og q en elektrons ladning.

Vt har en værdi på tilnærmelsesvis 25 mV ved stuetemperatur, og den negative konduktans for små signaler er således tilnærmelsesvis: 25 g = - I /100mV. o

Under driften ligger den frembragte negative konduktans parallelt med den positive konduktans, der medfører tab i den afstemte kreds. Den parallelt liggende 30 tabskonduktans reduceres derfor i størrelse, hvorved den effektive Q-værdi forøges.

I den indtil nu beskrevne kobling er den negative modstand kun virksom i det lineære område af forskelsforstærkerens overføringsfunktion, dvs. for forskelssig-35 naler på ca. 50 mV spids-til-spids. Hvis det ønskes, at koblingen skal behandle større signaler, kan det aktive område for kredsløbet med negativ modstand forøges ved

Claims (7)

7 DK 163770 B hjælp af yderligere modstand i emitterkredsløbene for transistorerne TR3 og TR4. Disse ekstra modstande er hensigtsmæssigt modstandene R5 og R6. Selv om der fås en større signallinearitet sammenlignet med de 5 tilfælde, hvor der ikke er nogen ekstra modstand»bevirker sådanne ekstra modstande den uønskede virkning, at der kræves mere strøm til opnåelse af samme værdi af den negative konduktans. Hvis størrelsen af den negative modstand indstil-10 les således, at den resulterende modstand over resonanskredsen 14 er negativ, udgør frekvensmultiplikatoren en oscillator, der er låst til den pågældende harmoniske af indgangsfrekvensen. Hvis det ønskes, kan koblingen realiseres ved hjælp 15 af andre typer af transistorer såsom felteffektorganer eller galliumarsenidorganer. Ved bestemmelse af niveauet for "tail"-strømmen I må den vælges til undgåelse af, at kredsløbet 22 kommer i ukontrollerede svingninger. Selv om størrelserne af modstandene R1 til R4 kan be-20 regnes, må man ved bestemmelse af størrelserne af modstandene R3 og R4 bestræbe sig på at opnå et godt acceptabelt indtrækningsområde uafhængigt af temperaturen og en stor Q-værdi, når der forbindes en belastning med udgangen 16, 18. Hvis strømmen I er stor og 25 strømmen 1^ er lille, vil koblingen have en tendens til at svinge og få et lille indtrækningsområde, medens det omvendt gælder, at hvis I er lille og 1^ er stor, er indflydelsen af den negative modstand forsvindende. Hvis der gøres brug af modstandene R5 og R6, 30 vil de have i det væsentlige samme størrelse.

1. Frekvensmultiplikator med midler (10) til modtagelse af et indgangssignal og til frembringelse af 35 grundfrekvensen og harmoniske af frekvensen af indgangssignalet og et frekvensudvaelgende kredsløb (14), der er DK 163770 B * 8 forbundet med udgangsterminalerne (16,18) fra nævnte midler (10) til udvælgelse af frekvensen af signalet, der frembringes over disse terminaler kendetegnet ved et kredsløb (22) med negativ modstand, der er forbun-5 det med udgangsterminalerne (16,18).

2. Frekvensmultiplikator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at midlerne (10) til frembringelse af grundfrekvensen og de harmoniske deraf indeholder et stærkt begrænsende kredsløb.

3. Frekvensmultiplikator ifølge krav 1, hvori midlerne (10) til frembringelse af grundfrekvensen omfatter en differensforstærker, der indeholder et første (TR1) og et andet (TR2) aktivt element af samme ledertype, et oscillatorkredsløb (12), der er forbundet med 15 en styreelektrode i det første aktive element (TRI) og det frekvensudvælgende kredsløb omfatter en resonanskreds (14), der er indkoblet mellem udgangselektroderne i det første (TRI) og det andet (TR2) aktive element og som er afstemmelig til oscillatorfrekvensen eller en 20 ulige harmonisk deraf, idet der frembringes et udgangssignal over enderne af resonanskredsen (14), k ende-tegnet ved, at kredsløbet (22) med negativ modstand indeholder et tredje (TR3) og et fjerde (TR4) aktivt element af samme ledertype, hvis indgangselektro-25 der er koblet til hinanden og til en strømkilde (26), hvis udgangselektroder er forbundet med de to ender af resonanskredsen (14), og hvis styreelektroder er krydsforbundet med udgangselektroderne i henholdsvis det tredje og fjerde aktive element.

4. Frekvensmultiplikator ifølge krav 3, ken detegnet ved, at resistive elementer (R5, R6) er forbundet mellem indgangselektroderne i det tredje (TR3) og det fjerde (TR4) aktive element og strømkilden (26).

5. Frekvensmultiplikator ifølge krav 3 eller 4, 35 kendetegnet ved, at udgangselektroderne i det første (TR1) og det andet (TR2) aktive element er forbun- 9 DK 163770 B det med resonanskredsen (14) over hver sin modstand (R3, R4).

6. Frekvensmultiplikator ifølge et eller flere af kravene 3-5, kendetegnet ved, at enderne af 5 resonanskredsen (14) er koblet til en fødeledning (+V ) vv over modstande (R1, R2, R3, R4).

7. Frekvensmultiplikator ifølge et eller flere af kravene 3-6, kendetegnet ved midler til indstilling af størrelsen af den negative modstand, således 10 at den resulterende modstand over resonanskredsen (14) er negativ og koblingen således udgør en oscillator, der er låst til den pågældende harmoniske af indgangsfrekvensen.