SE513706C2 - Anordning och metod för fördubbling av frekvensen hos elektriska signaler - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 513 706 2 frekvens och en första diíferentialförstärkare med icke inverterande och inverterande ingångsanslutningar och positiva och negativa utgångsanslutningar. Sinusspärtningen av källan matas till ingångsanslutningar och de positiva och negativa utgångsanslutningama av de första differentialförstärkama anslutes till varandra och dessutom anslutes de till jord eller till en konstant spänning genom ett lastrnotstånd. En insignal genereras vilken har en sådan spänningsnivå att utsignalen från de första difierentialförstärkarna bör vara mättad under en stor del av perioden av den inkommande signalen om utgångsanslutningarna inte anslutes till varandra och en pulserande spänning erhålls på utgångsanslutningarna kopplade till varandra, vars frekvensinnehåll även innefattar multiplar av infrekvensen. Utgångsanslutningama anslutes till en ingångsanslutning av en andra differentialförstärkare genom en filterkrets, som är en LC-krets omfattande en induktor och en kondensator. I US-A-S 270 670 beskrivs hur en kristalloscillator med en grundfrekvens av 20,48 MHz används för generering av en insignal. Genom användning av anordningen, som visas ovan, genereras en frekvens av 81,92 MHz.

Ett altemativt sätt skulle vara att framställa en spänningsstyrd kristalloscillator (Voltage Controlled Crystal Oscillator) VCXO, som genom användningen av en grundfrekvenskrístall oscillerar direkt 40,96 MHz. Emellertid är sådana kristaller mycket dyra. l allmänhet är lösningen enligt US-A-S 270 670 ofördelaktigt genom att resonanskretsama behöverjustering och anordningen kan dessutom inte tillverkas så liten som krävs för ett antal tillämpningar. l allmänhet är det attraktivt att tillverka elektriska kretsar så små som möjliga.

SAMMANDRAG AV UPPFINNINGEN Vad som behövs är därför en anordning för frekvensfördubbling, vilken är liten så att en frekvensfördubbling kan åstadkommas utan att behöva mycket utrymme och genom vilken på ett billigt och effektivt sätt kan åstadkomma frekvensfördubblingen.

En anordning behövs också, genom vilken en frekvensfördubbling kan åstadkommas utan att behöva några manuella justeringar eller extra yttre justeringar. Speciellt behövs 10 15 20 25 30 513 706 3 en anordning, genom vilken en spänningsstyrd kristalloscillator kan framställas, vilken levererar 40,96 MHz.

En metod för fördubbling av frekvensen av en periodisk insignal behövs också, genom vilken fördubblingama kan åstadkommas på ett billigt och enkelt sätt och utan att behöva mycket utrymme. Dessutom behövs en metod genom vilken en frekvensfördubbling kan utföras utan att behöva manuell justering av kretsama av anordningen osv.

Därför är en anordning för fördubbling av frekvensen av en elektrisk signal tillhandahållen, vilken omfattar en första förstärkaranordning och en andra förstärkaranordning. En första insignal matas till den första förstärkaranordningen, som har en icke inverterande respektive en inverterande ingångsanordning. Signalen förstärks till mättnad i den förstaförstärkaranordningen. På utgångssidan av den första förstärkaranordningen är anordnad en RC-krets genom vilken en sågtandssignal matas, vilken har en frekvens som är huvudsakligen två gånger högre än frekvensen av den första insignalen. Sågtandssignalen matas till en första och en andra icke inverterande respektive inverterande insignalanordning av en andra förstärkaranordning för förstärkning av den andra signalen till mättnad, vari dessutom en återkopplingskrets är anordnad för DC-förspänning av sågtandsinsignalen matad till den andra förstärkaranordningen, således kontrollerande arbetscykeln av utsignalen från anordningen.

Fördelaktigen omfattar frekvçnsfögdæubïblingskretsen, d.v.s. RC-kretsen en första och en andra RC-krets. RC-kretsen består a! _er_1_f_"örsta och andra kondensator, vilka är anordnade i serie mellan den första och andra utsignalanordningen där ett motstånd ansluter den första respektive andra utgångsanordning antingen till jord eller till en konstant spänning. En första när potentialen av den första utsignalen går från låg till hög och den består _21_v_ de. första och andra kondensatorema och motstånden, vilka ansluter den egrautgångsanordningen till jord och den andra RC-kretsen bildas på ett liknande sätt när potentialen av den andra utsignalen går från en låg till en hög potential. På ett liknande sätt innefattar den, de första respektive andra 10 15 20 25 30 513 706 4 kondensatorema och motstånden som ansluter den första utsignalanordningen till jord (eller till en konstant spänning). Varje gång ett omslag av den första eller andra utsignalanordningen av den första förstärkaranordningen förekommer, genereras en sågtandspuls som således ger en andra signal. Frekvensen av denna andra signal är väsentligen två gånger högre än frekvensen av den första insignalen. Fördelaktigen är frekvensen av den andra signalen över ett motstånd som är anordnat mellan den första och en andra kondensator av frekvensfördubblingsanordningen två gånger högre än den första insignalen. Fördelaktigen är den andra signalen DC-förspänd via en återkopplingskrets och den DC-förspända signalen matas till den första och andra ingångsanordningen av en andra förstärkaranordning. Fördelaktigen förstärks den andra insignalen till mättnad i den andra förstärkaranordningen och fórdelaktigen kan arbetscykeln av utsignalen styras via återkopplingskretsen. Fördelaktigen omfattar återkopplingskretsen ett antal motstånd och en tredje och fjärde kondensator så att en DC-fórspänning tíllhandahålles.

Enligt ett fördelaktigt utförande är den första och andra förstärkaranordningen en differentialförstärkare. I synnerhet omfattar förstärkaranordningarna EC L linjemottagare. ECL betecknar emitterkopplad logik och utsignalen tas från emittem av en utgångstransistor och den motsvarande utsignalanordningen bör anslutas till jord, t.ex. via ett extra, yttre motstånd för väldefinierad spänning och emitter. Användningen av ECL-linjemottagare i oscillatorkretsar beskrivs t.ex. i "MECL system design handbook", Motorola Semiconductor Inc., fjärde utgåvan 1988, sid. 224-228. I ett speciellt föredraget utförande omfattar anordningen en IOHI l6 kapsel innefattande tre linjemottagare, den första av vilka utgör den första utsignalanordningen och den andra den andra utsignalanordningen. Fördelaktigen kan den tredje linjemottagaren användas som en 20,48 VCXO. Enligt olika utföringsexempel är den första insignalen t.ex. en fyrkantsignal eller en sinusforrnad signal.

I ett särskilt utförande är den första insignalen en 20,48 MI-lz signal. Utsignalen från den andra förstärkaranordningen är fördelaktigen en fyrkantsignal.

Al 10 15 20 25 30 513 706 , 5 Utgångsfrekvensen är enligt ett altemativt utfóringsexempel upp till ungefär lO0Ml-lz, i vilket fall t.ex. ovan nämnda 10Hl l6-kapsel kan användas. Utsignalen kan till exempel även ha en frekvens mellan l0O-300 MHz. Emellertid används då en l00El 16 linjemottagaranordning eller liknande med fördel.

En metod för att fördubbla frekvgnsçgnavjen periodisk signal är också tillgänglig. Enligt metoden matas en elektrisk signal t.ex. via någon typ av källa som genererar en elektrisk, periodisk signal till icke inverterande och inverterande ingångsanordningarna av en första förstårkaranordning. l den första förstärkaranordningen förstärks den första insignalen till mättnad och en förÄoch en andra utsignal erhålles. Den första och andra utsignalanordningen anslutes till exempel till en konstant spänning eller till jord via första respektive andra motstånd så att varje signal får samma frekvens som den första insignalen. Första och andgagndensatorer anslutes i serie mellan den första och den andra utsignalanordning och motstånden och kondensatorema är så dimensionerade att mellan den första och den andrakondensatom en sågtandssignal genereras, som huvudsakligen har en frekvens som år två gånger frekvensen av den första insignalen.

Sågtandssignalen matas till en andra förstärkaranordning omfattande första och andra ingångsanordning där den förstärks till mättnad. Fördelaktigen år den andra insignalen DC-förspänd via en återkopplingskontrollkrets. På så sätt kan arbetscykeln styras så att en fyrkantutsignal erhålls som har en frekvens som är fördubblad med avseende på frekvensen av den första insignalen.

KORT BESKRIVNING AV RITNMGARNA Uppfinningen kommer att i det följande beskrivas ytterligare, på ett icke begränsande sätt med hänvisning till bifogade ritningar, i vilka: Fig. l visar ett utförande enligt uppfinningen, och Fig. 2 och 3 visar simulerade signaler vid olika punkter i anordningen visad i Fig 1.

DETALJERAD BESKRIVNING, ENLIGT UPPFINNINGEN 10 15 20 25 30 513 706 6 Fig. l visar en anordning omfattande två ECL linjemottagare (line receiver) A l, A2 enligt ett första utförande av uppfinningen. l spänningsgeneratom V5 genereras pulsar i form av fyrkantvågor och spänningen varierar till exempel mellan -0,2 - O,2V. Stigtiden är här till exempel 1 ns och falltiden är också 1 ns i detta fall. I detta särskilda utförande är signalen hög, till exempel under 23,4 ns, medan den totala pulsperioden är 48,8 ns.

(Detta betecknar självfallet endast ett särskilt exempel). Speciellt kan frekvensen av fyrkantvåg vara 20,48 MHz.

V3 indikerar en törspärrningen för att hålla den första förstärkaranordning Al inom dess driftsområde. l det visade utförandet används ett element, l0l~ll l6, Lex. från Motorola, vilket innefattar tre ECL-kretsar eller tre ECL-linjemottagare i en och samma kapsel. Av dessa tre ECL linjemottagare används den första Al och den andra A2 som den första och andra förstärkaranordningar och den tredje kan till exempel användas som en 20,48 MI-lz VCXO (inte visad). I den första törstärkaranordningen Al förstärks insignaler +I ,, -l, till mättnad. Förbindelserna 5,6 av figurema används för matning av en matningsspänning. Utsignalanordningen 3, 4 av den första törstärkaranordningen Al är av en öppenemittertyp (en transistor var) och en av dem 4 är inverterande medan den andra 3 är icke inverterande. Två fyrkantutsignaler är anordnade. Varje utsignalanordning 3, 4 belastas av ett motstånd R23, R21 (t.ex. 270 Q var) och frekvensen av varje signal är samma som den av insignalen till linjemottagaren eller den första törstärkaranordningen A I. Två kondensatorer C4, C5 (t.ex. var och en med en kapacitans av 180 pF) anslutes i serie mellan den första och andra utsignalanordningen 3,4 och således två RC-kretsar bildas beroende på vilken utgång som "ändras". När potentialen av den första utsignal +O , går från låg till hög, bildas en RC-krets genom kondensatorema C4, C5 och motståndet R2l av den andra utsignalanordningen 4. När potentialen av den andra utsignalen -O , går från en låg till en hög potential, bildas en andra RC-krets av kondensatorema C4, CS och det tillhörande motståndet R23 av den första utsignalanordningen 3. Detta beror på det faktum att emittem producerar bara ledningsström i en riktning. Således är utgången 10 15 20 25 30 513 706 7 som går från en låg till en hög potential en lågohmig utgång medan den andra är en högohmig utgång.

Genom dimensionering av RC-kretsama med avseende på frekvensen som ska fördubblas, vid en punkt mellan kondensatorema C4, CS erhålls en sågtandscykel för varje omslag eller sänkning av utsignalen. Eftersom det finns två utsignalanordningar, varje för signalema som är rever/sm förhållande till varandra, erhålles två sågtandscykler för en incykel, vilket betyder att frekvensen har fördubblats.

I fig. 2 indikerar g den första utsignalen på den första utsignalanordningen 3. Den illustreras som spänningen belastad av motståndet R23 (V(R23)) till jord och b visar den andra utsignalen på den andra utgångsanordningen 4 som en spänning belastad av motståndet R2l (V (R2l)) till jord. lífåurema är även illustrerade summasignalen e av den första och den andra utsignalen, som spänningen över ett återkopplingsmotstånd R25 av till exempel l k Q. Detta är emellertid en distorderad sågtandssignal, vilken oftast inte kan användas. I allmänhet behövs en fyrkant- eller en sinussignal, Lex. för anslutning till andra utrustning osv.

Därför är en andra törstärkaranordning A2 anordnad. till vilken en första och en andra insignal +12, -12 matas på en första respektive en andra insignalanordning 7,8. lnsignalema +12, -Iz är DC-fcirspända via en återkopplingskrets omfattande ett antal återkopplingsmotstånd R26, R27, R2$, R29 (och R25) och två kondensatorer C6, C7 (t.ex. 10nF var) och genom att förstärka insignalema +l 2, -lz till mättnad i den andra förstärkaranordningen A2, omvandlas den distribuerade sågtandssignalen till en fyrkantsignal och arbetscykeln kan styras genom dimensioneringen av återkopplingsmotstånden. Till exempel återges värden som används för komponentema, d.v.s. motståndena R25, R26, R4, Rl8, R29, R28 och kondensatorema C6, C7 i fig. l. V4 betecknar matning-sšpänningskällan av de första och andra törstärkaranordningama Al, Aäochfiawnslutning l l betecknar förbindelsen till den andra törstärkaranordningen A2 som även är ansluten till jord via anslutning 12. l fig. 3 betecknar spänningssignalen d denñförsta utsignalen +O 2 från den andra förstärkaranordningen A2 belastad av motståndet R4, d.v.s. V(R4) och e visar 10 15 20 25 30 513 706 8 motsvarande andra utsignalen, V(Rl 8) belastad på samma sätt med ett motstånd, här R18. l figurema illustreras även summan av d och e omfattande en DC-fcírspänning och den motsvarar spänningssignalen över ett återkopplingsmotstånd R25, d.v.s. signalen motsvarar spänningssignalen V(R25).

Emellertid, erhålles två differentialutsignaler +O 2,-O2 från den andra förstärkaranordningen A2 i formen av fyrkantsignaler som har en frekvens som är två gånger högre än frekvensen av den första insignalen till den första förstärkaranordningen Al. l ett speciellt utförande är frekvensen av den första insignalen 20,48 MHz och således är utsignalsfrekvensen 40,96 MHz. Utsignalema +O F02 från den andra förstärkaranordningen A2 är relativt lågohmiga och har en god drivförmåga. Därför är det mycket lätt att antingen transformera signalen eller att filtrera signalen ytterligare för att erhålla en högre spänning osv., vilken till exempel skulle kunna användas för att erhålla en fyrkantvåg med CMOS-nivå eller liknande. Detta kan emellertid utföras på ett antal olika sätt beroende på de speciella behoven osv., vilka behov inte illustreras ytterligare här.

Den första insignalen kan för ett exempel vara en fyrkantsignal eller en sinussignal, men den kan även vara en sågtandssignal, en triangelforrnad signal eller liknande.

Dessutom måste den inte ha en 50%-ig arbetscykel. För frekvenser upp till omkring 100 MHz kan till exempel linjemottagare av typen lOHl 16 användas, men för högre frekvenser, till exempel upp till 300 MHz behövs snabbare linjemottagare, till exempel sådana som används i kretsen l00El 16.

Självfallet kan andra linjemottagarkretsar än lOHl 16 eller l00El 16 användas; de är endast givna för exempliflerande syften. Värdena som används för komponenterna, används i anordningen som illustreras i fig. l, återger också endast ett särskilt utförande. 513 706 9 I ett alternativt utförande enligt uppfinningen, i stället för att använda ECL-linjemottagare, kan diskreta komponenter användas i kombination med förstärkare.

Uppñnningen kan även varieraššä-énåtiztgantåli andra olika sätt utan att avlägsnas från ramen för patentkraven.

Claims (20)

10 15 20 25 30 515 706 lO PATENTKRAV

1. l. Anordning för fördubbling av frekvensen av elektriska signaler, omfattande en källa genererande en periodisk signal med en bestämd frekvens, en första förstärkaranordning (Al) med första icke inverterande och andra inverterande insignalanordning (l ,2) och första positiva och andra negativa utsignalanordning (3,4), vari den periodiska insignalen matas till den första och andra insignalanordningama (1,2) av den första förstärkaranordningen (A l ), kännetecknad därav, att en frekvensfördubblingskrets omfattande motstånd (R21, R23) och kondensatorer (C4,C5) är anordnad på utgångssidan av den första förstärkaranordningen (Al), genom vilken en andra signal erhålles, vars frekvens huvudsakligen är två gånger frekvensen av den första insignalen och att den andra signalen är en sågtandssignal som matas till första (7) och andra (8), icke inverterande respektive inverterande, insignalanordningen av en andra förstärkaranordning (A2), i vilken sâgtandssignalen förstärks till mättnad och att organ är anordnade genom vilka arbetscykeln av signalutgången från den andra förstärkaranordningen kan kontrolleras.

2. Anordning enligt patentkrav l, kännetecknad därav, att sagda organ genom vilka arbetscykeln kan styras omfattar en återkopplingskrets.

3. Anordning enligt patentkrav l eller 2, kännetecknad därav, att frekvensfördubblingskretsen omfattar en första och en andra RC-krets, vilka bildas av två kondensatorer (C4, CS) anordnade i serie mellan den första och den andra utsignalanordningen (3,4) av den första förstärkaranordningen (Al) och motstånd (R23, R2 l) ansluter sagda första och andra utsignalanordning (3,4) till jord eller till en konstant spänning.

4. Anordning enligt patentkrav 3, kännetecknad därav, 10 15 20 25 30 513 706 ll att en första RC-krets bildas när potentialen av den första utsignalen (+O ,) går från låg till hög och att den omfattar de första och andra kondensatorema (C4,C5) och motståndet (R2l) som ansluter den andra utgångsanordningen (4) till jord.

5. Anordning enligt patentkrav 3 eller 4, kännetecknad därav, att en andra RC-krets bildas när potentialen av den andra utsignalen (-O ,) går från en låg till en hög potential och att den omfattar de första och andra kondensatorema (C4,C5) och motståndet (R23) som ansluter den första utsignalanordningen (3) av den första förstärkaranordningen (A l) till jord eller till en konstant spänning.

6. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknaa' därav, att för varje omslag av den första fillereandra utsignalanordningen av den första förstärkaranordningen, erhålles en sågtandssignal (3,4) som en andra signal, vars frekvens huvudsakligen är två gånger frekvensen av den första insignalen.

7. Anordning enligt patentkrav 6, kännetecknad därav, att frekvensen av de andra ingångsignalema belastade av ett motstånd (R25) anordnat mellan de första och andra kondensatorema (G4, C 5) av frekvensfördubblingsanordningen är två gånger den första insignalen av den första förstärkaranordningen.

8. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, känneteclcnad därav, att en återkopplingskrets används för attgjustera inmatningen av den andra signalen till den andra förstärkaranordningen

9. Anordning enligt patentkrav 8, i kännetecknad därav, 10 15 20 25 30 513 706 12 att återkopplingskretsen omfattar ett antal motstånd och en tredje respektive en fjärde kondensator (C6, C7) och att en DC-förspänningkrets är anordnad.

10. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad därav, att de första och andra förstärkaranordningama (A1, A2) är differentialfcirstärkare.

11. 1 1. Anordning enligt patentkrav 10, kännetecknad därav, att de första och andra förstärkaranordningama (Al , A2) innefattar ECL-linjemottagare.

12. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännerecknad därav, att frekvensen av den första insignalen är 20,48 MHz.

13. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad därav, att anordningen innefattar en lOHl 16 kapsel omfattande tre ECL-linjemottagare. av vilka den första omfattar den första utsignalanordningen (Al) och den andra omfattar den andra utsignalanordningen (A2).

14. Anordning enligt patentkrav 13, kännetecknad därav, att den tredje ECL-linjemottagaren av 101-11 16 kapseln används som en 20,48 VCXO.

15. Anordning enligt något av de föregående patentkraven, kännetecknad därav, att den periodiska insignalen är en fyrkantsignal.

16. Anordning enligt något av patentkraven 1 - 14, kännetecknad därav, att den periodiska insignalen är, Lex. en sinus-, sågtands- eller triangelsignal. 10 15 20 25 30 515 706 13

17. Anordning enligt patentkrav 15 eller 16, kännetecknad därav, att utsignalen av den andra forstärkaranordning är en fyrkantvågssignal.

18. Anordning enligt patentkrav 17, kännetecknad därav, att utsignalen har en frekvens upp till ungefär 100 Ml-lz.

19. Anordning enligt patentkrav 17, känneteclcnad därav, att utsignalen har en frekvens ungefär mellan 100-300 MHz och att, Lex. en 100E1 16 ECL-linjemottagaranordning används.

20. Metod för fördubbling av frekvensen av en periodisk elektrisk signal, omfattande stegen att: - mata signalen till en icke inverterande och inverterande ingångsanordning av en första törstärkaranordningen, - förstärka den första insignalen till mättnad i den första fórstärkaranordningen, och således åstadkomma en första och en andra utsignal från den forsta fórstärkaranordningen, kännetecknad av, att den omfattar dessutom stegen att: - ansluta den första och andra utsignalanordningen till en konstant spänning ellerjord genom ett första respektive ett andra motstånd så att varje signal får samma frekvens som den periodiska insignalen, - ansluta en forsta och en andra kondensator i serie mellan den första och andra utsignalanordningen, - anordna motståndena och kondensatorema med sådana dimensioner att mellan den första och andra kondensatorn (C4, C5) en sågtandssignal erhålles, vars frekvensen är två gånger högre än frekvensen av den periodiska insignalen, - mata sagda sågtandssignal till en andra fórstärkaranordning, 513 706 14 förstärka i sagda andra fórstärkaranordníng signalen till mättnad och via en DC-återkopplingskrets kontrollera arbetscykeln.