DE1046689B - Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung unter Verwendung von Doppelbasisdioden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung unter Verwendung von Doppelbasisdioden. Frequenzvervielfachungsschaltungen werden auf vielen Gebieten der Fernmeldetechnik, so> z. B. in der Meßtechnik, in der Trägerfrequenztechnik oder in der Fernseh- und Inir pulstechnik, angewandt und wirken in der Weise, daß sie aus einer vorgegebenen Grundfrequenz eine bzw. mehrere gewünschte Harmonische ableiten.

Die bisher bekannten Schaltungen zur Frequenz-Vervielfachung sind, falls sie mit gutem Wirkungsgrad in bezug auf Ausgangsamplitude und Frequenztreue arbeiten, sehr aufwendig und erfordern komplizierte Röhrenschaltungen sowie Einrichtungen zur Erzeugung der benötigten, möglichst konstanten Betriebsspannungen.

Zweck der Erfindung ist es, eine Frequenzvervielfachungssohaltung zu schaffen, die einen wesentlich geringeren Aufwand an Schaltelementen und Betriebsspannungen erfordert.

Hauptbestandteil der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist eine an sich bekannte Doppelbasisdiode, deren Aufbau und Wirkungsweise an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Doppelbasisdiode besteht aus einem η-leitenden Halbleiterstab 1 (z. B. n-Germanium) sowie einer p-leitendenPille2 (z.B. Indium), die derart zusammengefügt sind, daß eine pn-Grenzschicht 3 entsteht. Die Enden des Halbleiterstabes 1 sind mit zwei ohmschen Kontakten, den Basisanschlüssen B₁ und B₂, versehen. Der mit D bezeichnete Diodenanschluß ist an die Pille 2 geführt. Im Betrieb liegt eine Gleichspannung Uj, von einigen Volt zwischen B₁ und B₂, wobei der positive Pol der Batterie mit B₂ verbunden ist. Dadurch wird im Halbleiterstab 1 ein konstanter Potentialgradient erzeugt. Durch die endliche Länge der pn-Grenzschicht 3 wirken sich die örtlich verschiedenen Potentialverhältnisse im Halbleiterstab 1 so aus, daß am oberen, dem Anschluß B₂ zugekehrten Teil der pn-Grenzschicht 3 eine größere Sperrspannung liegt als am unteren, dem Anschluß B₁ zugekehrten Teil. Diese Eigenschaft ist mitentscheidend für die Wirkungsweise einer Doppelbasisdiode.

Die Wirkungsweise der Doppelbasisdiode ist aus der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie ersichtlich, welche die Strom-Spannungs-Charakteristik zwischen den Anschlüssen D und B₁ zeigt. Wird der Diodenanschluß D gegenüber B₁ negativ gemacht, so erhält man den Zweig 4 der Kennlinie, der das Sperrverhalten der Diode charakterisiert. Auch wenn das Potential an D höher ist als das an B₁, liegt an der pn-Grenzschicht 3 infolge des durch U_b hervorgerufenen Potentialgradienten im Halbleiterstab 1 noch S ctialtungs anordnung

zur Frequenzvervielfachung

unter Verwendung von Doppelbasisdioden

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. phil. Otto Macek, München-Haar,
ist als Erfinder genannt worden

eine Sperrspannung, was durch den Zweig 5 der Kennlinie ausgedrückt wird. Erst beim Überschreiten einer gewissen Größe der an D und B₁ angelegten Spannung Uα bzw. beim Erreichen der sogenannten Kippspannung wird der untere, B₁ zugekehrte Teil der pn-Grenzschicht 3 in Fluß richtung umgepolt. Der obere, B_% zugekehrte Teil der pn-Grenzschicht 3 bleibt jedoch noch in Sperrichtung gepolt, da an dieser Stelle des Halbleiterstabes 1 das von Uj, herrührende Potential höher ist. Durch diese Umpolung des unteren Teils der pn-Grenzschicht 3 erfolgt eine Trägerinjektion in das ßj-Gebiet, wodurch der untere Teil des Halbleiterstabes 1 stärker leitend wird und den Potentialgradienten mehr gegen den Anschluß B₂ zu verschiebt. Dadurch wird jedoch die pn-Grenzschicht3 in fortschreitendem Maße auch in dem oberen, B₂ zugekehrten Teil in Durchlaßrichtung umgepolt. Wir haben also in diesem Gebiet ein instabiles Verhalten des Vorganges, das sich in einem negativen Widerstand äußert (Zweig 6 der Kennlinie in Fig. 2) und erst dann wieder stabil wird, wenn der ganze pn-Übergang in Durchlaßrichtung gepolt ist. Nimmt Ud noch größere positive Werte an, so bekommt man die normale Durchlaßcharakteristik 7 einer pn-Diode.

Wird nun in bekannter Weise ein Kondensator geeigneter Größe an die Diodenanschlüsse D, B₁ gesschaltet und eine konstante Speisespannung Uj, an die Strecke B₁, B₂ gelegt, so entsteht ein selbsttätig wirkender Sägezahngenerator.

Der durch die pn-Grenzschicht gelangende Sperrstrotn lädt den Kondensator derart auf, daß die an dem Diodenanschluß D liegende Platte positives

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Potential erhält. Bei Erreichen einer gewissen Größe führt die Kondensatorspannung selbsttätig zum Kippen der Doppelbasisdiode, Dabei wird die zwischen D und B₁ befindliche Halbleiterstrecke plötzlich stark leitend und schafft damit einen Entladestromkreis für den Kondensator. Durch das Absinken der Kondensatorspannung beim Entladevorgang auf einen Bruchteil ihres Wertes wird die pn-Grenzschicht wieder in Sperrichtung umgepolt, und der Ladevorgang infolge des Sperrstromes kann neuerlich beginnen. Die Frequenz dieses Vorganges wird unter anderem durch die Größe des Kondensators, die Höhe der angelegten Speisespannung U_b und die Größe des Sperrstromes beeinflußt, wobei sich höhere Frequenzen durch Verkleinerung der Kapazität, durch Verkleinerung der Speisespannung Ut, und durch Vergrößerung des Sperrstromes erreichen lassen.

Nach der Erfindung" ist eine wirksame Frequenzvervielfachung unter Verwendung einer Doppelbasisdiode in der Weise möglich, daß die Grundfrequenz an den parallel zur Diodenstrecke D, B₁ liegenden Kondensator einer in an sich bekannter Weise als Sägezahngenerator geschalteten Doppelbasisdiode gelegt ist, wobei die Generatorfrequenz vorzugsweise etwas niedriger ist als die Grundfrequenz, und daß zwischen der negativen Basiselektrode B₁ und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (—i/&) ein auf die gewünschte n-iache. Frequenz abgestimmtes, zur Abnahme dieser Frequenz geeignet ausgebildetes Resonanzglied vorgesehen ist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das zwischen der negativen Basiselektrode B₁ und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (— U_b) angeordnete Resonanzglied ein Parallelschwingkreis.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das zwischen der negativen Basiselektrode B₁ und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (— U_b) angeordnete Resonanzglied ein Serienschwingkreis, wobei die gewünschte fi-fache Frequenz entweder an der Induktivität oder an der Kapazität abgegriffen wird.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind mehrere derartige Vervielfacherstufen zu einer Kaskadenschaltung zusammengefaßt, wobei es zweckmäßig ist, zwischen einzelnen oder mehreren Vervielfacherstufen eine reina Verstärkerstufe vorzusehen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es möglich ist, mit einer Doppelbasisdiode in Sägezahngeneratorschaltung ein wenig aufwendiges, aber qualitativ hochwertiges Frequenzvervielfachungsglied aufzubauen.

Wie in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, wird die aus der Doppelbasisdiode B₁, B₂, D und dem parallel geschalteten Kondensator K bestehende Sägezahngeneratorschaltung· über einen Koppelkondensator 9 zusätzlich mit der Grundfrequenz 8 gespeist. Wird nun an einem zwischen der negativen Basiselektrode!?! und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (-Uf₁) befindlichen Ausgangswiderstand 10 die auftretende Spannung, vorzugsweise über einen Kondensator 13, abgegriffen, so ergibt sich ein Spannungszug 11, der sich von der Grundfrequenz 8 dadurch unterscheidet, daß er in jeder positiven Halbwelle einen Impuls 12 hoher Flankensteilheit aufgesetzt hat, der durch den Sägezahngenerator selbsttätig hinzugefügt wird. Infolge der stark vergrößerten Leitfähigkeit der Strecke B₁, B₂ der Doppelbasisdiode im gekippten Zustand tritt nämlich am Ausgangswiderstand 10 plötzlich ein wesentlich größerer Teil der Speisespannung JT₆ auf, so daß bei dem periodischen Kippvorgang des Sägezahngenerators eine Reihe von Impulsen 12 entsteht. Um eine phasenrichtige Zuordnung der Impulse 12 zu dem Spannungszug 11 zu erhalten, ist es zweckmäßig, die Eigenfrequenz des Sägezahngenerators etwas niedriger zu wählen als die Grundfrequenz 8, so daß die Sägezahnschwingung von der Grundfrequenz 8 noch sicher mitgezogen wird. Dadurch ist gewährleistet, daß die phasenmäßige Zuordnung zwischen den Impulsen 12 und den ihnen zugeordneten positiven Halbwellen des Spannungszuges 11 immer gleichbleibt.

Die am Ausgangswiderstand 10 abgenommene Kurvenform weist eine große Anzahl von Harmonischen mit relativ großer Amplitude auf, so daß man bei geeigneter selektiver Ausbildung des Ausgangswiderstandes 10 die gewünschte Harmonische in einfacher Weise abgreifen kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei ist der Ausgangswiderstand 10 durch einen Parallelschwingkreis 14 ersetzt, der auf die gewünschte fj-fache Frequenz der Grundfrequenz abgestimmt ist.

Es kann auch zweckmäßig sein, an Stelle des Parallelschwingkreises 13 einen Serienschwingkreis einzuschalten, der ebenfalls auf die gewünschte n-iache Frequenz der Grundfrequenz abgestimmt sein muß. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung entweder an der Induktivität oder an der Kapazität dieses Serienresonanzkreises abgegriffen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere derartig aufgebaute Vervielfacherstufen zu einer Kaskadenschaltung zusammengefaßt, wobei die Ankopplung der einzelnen Kaskadenstufen vorzugsweise über Koppelkondensatoren erfolgt. Mit einer derartigen Kaskadenschaltung wird ein Vervielfachungsfaktor erreicht, der sich durch Multiplikation der Vervielfachungsfaktoren der einzelnen Stufen ergibt. Die Vervielfachungsfaktoren der einzelnen Stufen sind dabei durch das Verhältins der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 14 zur Grundfrequenz 8 gegeben. Bei derartigen Kaskadenschaltungen kann es zweckmäßig sein, nach einer oder nach mehreren Vervielfacherstufen eine reine Verstärkerstufe anzuordnen, die dazu dient, die Energiebilanz wieder auszugleichen.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Frequenzvervielfachung unter Verwendung vonDoppelbasisdioden, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfrequenz (8) an den parallel zur Diodenstrecke (D₃ B₁) liegenden Kondensator (K) einer in an sich bekannter Weise als Sägezahngenerator geschalteten Doppelbasisdiode gelegt ist, wobei die Generatorfrequenz vorzugsweise etwas niedriger ist als die Grundfrequenz (8), und daß zwischen der negativen Basiselektrode (S₁) und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (-[Z₆) ein auf die gewünschte ra-fache Frequenz abgestimmtes, zur Abnahme dieser Frequenz geeignet ausgebildetes Resonanzglied vorgesehen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen der negativen Basiselektrode (B₁) und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (~U_b) angeordnete Resonanzglied ein Parallelschwingkreis (14) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen der nega-

tiven Basiselektrode (JJ₁) und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (— üj) angeordnete Resonanzglied ein Serienschwingkreis ist und die gewünschte »-fache Frequenz entweder an der Induktivität oder an der Kapazität abgegriffen wird.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zuleitung der Grundfrequenz (8) und in die Ableitung der gewünschten »-fachen Frequenz Koppelkondensatoren (9,13) eingefügt sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Zu-

sammenfassung mehrerer Vervielfaciherstufen zu einer Kaskadenschaltung.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der einzelnen Kaskadenstufen über Koppelkondensatoren (9,13) erfolgt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer oder nach mehreren Vervielfaciherstufen eine reine Verstärkerstufe vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Elektronics«, März 1955, S. 198 bis 202.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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