DE1046689B - Circuit arrangement for frequency multiplication using double base diodes - Google Patents
Circuit arrangement for frequency multiplication using double base diodesInfo
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- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
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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.The invention relates to a circuit arrangement for frequency multiplication using of double base diodes. Frequency multiplier circuits are used in many fields of Telecommunication technology, so> z. B. in measurement technology, in carrier frequency technology or in television and Inir pulse technique, are applied and work in such a way that they create a resp. derive several desired harmonics.
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. The previously known circuits for frequency multiplication are, if they are with good efficiency work in terms of output amplitude and frequency fidelity, very expensive and require complicated Tube circuits and devices for generating the required, as constant as possible, operating voltages.
Zweck der Erfindung ist es, eine Frequenzvervielfachungssohaltung zu schaffen, die einen wesentlich geringeren Aufwand an Schaltelementen und Betriebsspannungen erfordert.The purpose of the invention is to provide a frequency multiplication latch that is essential requires less expenditure on switching elements and operating voltages.
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.Main component of the circuit arrangement according to the invention is a double-base diode known per se, the structure and mode of operation on the basis of the Figs. 1 and 2 are explained in more detail.
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. The double base diode shown in FIG. 1 consists of an η-conducting semiconductor rod 1 (e.g. n-germanium) and a p-conducting pill 2 (e.g. indium), which are joined together in such a way that a pn boundary layer 3 is formed. The ends of the semiconductor rod 1 are provided with two ohmic contacts, the base connections B 1 and B 2 . The diode connection labeled D is connected to the pill 2. During operation there is a direct voltage Uj of a few volts between B 1 and B 2 , the positive pole of the battery being connected to B 2 . As a result, a constant potential gradient is generated in the semiconductor rod 1. Due to the finite length of the pn boundary layer 3, the locally different potential conditions in the semiconductor rod 1 have such an effect that the upper part of the pn boundary layer 3 facing the terminal B 2 has a higher reverse voltage than the lower part facing the terminal B 1 . This property is one of the decisive factors for the functioning of a double-base diode.
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 Ub hervorgerufenen Potentialgradienten im Halbleiterstab 1 noch S ctialtungs anordnungThe mode of operation of the double base diode can be seen from the characteristic curve shown in FIG. 2, which shows the current-voltage characteristic between the terminals D and B 1 . If the diode connection D is made negative with respect to B 1 , branch 4 of the characteristic curve is obtained, which characterizes the blocking behavior of the diode. Even if the potential at D is higher than that at B 1 , there is still a starting arrangement at the pn boundary layer 3 as a result of the potential gradient in the semiconductor rod 1 caused by U b
zur Frequenzvervielfachungfor frequency multiplication
unter Verwendung von Doppelbasisdiodenusing double base diodes
Anmelder:Applicant:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Witteisbacherplatz 2
Dr. phil. Otto Macek, München-Haar,
ist als Erfinder genannt wordenDr. phil. Otto Macek, Munich-Haar,
has been named as the inventor
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.a reverse voltage, which is expressed by branch 5 of the characteristic. Only when the voltage Uα applied to D and B 1 is exceeded or when the so-called breakover voltage is reached, the polarity of the lower, B 1 facing part of the pn boundary layer 3 is reversed in the flow direction. The upper part of the pn boundary layer 3 facing B % , however, still remains polarized in the reverse direction, since at this point of the semiconductor rod 1 the potential originating from Uj is higher. As a result of this polarity reversal of the lower part of the pn boundary layer 3, a carrier is injected into the βj region, as a result of which the lower part of the semiconductor rod 1 becomes more conductive and shifts the potential gradient more towards the terminal B 2. As a result, however, the polarity of the pn boundary layer 3 is progressively reversed in the forward direction also in the upper part facing B 2. So in this area we have an unstable behavior of the process, which manifests itself in a negative resistance (branch 6 of the characteristic curve in FIG. 2) and only becomes stable again when the entire pn junction is polarized in the forward direction. If Ud assumes even larger positive values, the normal forward characteristic 7 of a pn diode is obtained.
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.If, in a known manner, a capacitor of suitable size is connected to the diode connections D, B 1 and a constant supply voltage Uj is applied to the path B 1 , B 2 , an automatically acting sawtooth generator is created.
Der durch die pn-Grenzschicht gelangende Sperrstrotn lädt den Kondensator derart auf, daß die an dem Diodenanschluß D liegende Platte positivesThe blocking current passing through the pn boundary layer charges the capacitor in such a way that the plate on the diode connection D becomes positive
809 699/387809 699/387
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 Ub 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.Maintains potential. When it reaches a certain level, the capacitor voltage automatically causes the double base diode to flip over. The semiconductor path between D and B 1 suddenly becomes highly conductive and thus creates a discharge circuit for the capacitor. As the capacitor voltage drops to a fraction of its value during the discharge process, the polarity of the pn boundary layer is reversed again in the reverse direction, and the charging process can begin again as a result of the reverse current. The frequency of this process is influenced, among other things, by the size of the capacitor, the level of the applied supply voltage U b and the size of the reverse current, whereby higher frequencies can be achieved by reducing the capacitance, by reducing the supply voltage Ut, and by increasing the reverse current.
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.According to the invention "an effective frequency multiplication using a double base diode is possible in such a way that the fundamental frequency is applied to the capacitor of a double base diode connected in a known manner as a sawtooth generator, which is parallel to the diode path D, B 1, the generator frequency preferably being somewhat lower is as the fundamental frequency, and that between the negative base electrode B 1 and the negative pole of the supply voltage source (-i / &) a resonance element is provided which is tuned to the desired n-th frequency and is suitably designed to decrease this frequency.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist das zwischen der negativen Basiselektrode B1 und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (— Ub) angeordnete Resonanzglied ein Parallelschwingkreis.In a further embodiment of the invention, the resonance element arranged between the negative base electrode B 1 and the negative pole of the supply voltage source (−U b ) is a parallel resonant circuit.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das zwischen der negativen Basiselektrode B1 und dem negativen Pol der Speisespannungsquelle (— Ub) angeordnete Resonanzglied ein Serienschwingkreis, wobei die gewünschte fi-fache Frequenz entweder an der Induktivität oder an der Kapazität abgegriffen wird.According to a further embodiment of the invention, the resonance element arranged between the negative base electrode B 1 and the negative pole of the supply voltage source (-U b ) is a series resonant circuit, the desired fi-fold frequency being tapped either on the inductance or on the capacitance.
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.In a preferred embodiment of the invention, there are several such multiplier stages in one Cascade connection summarized, whereby it is expedient between individual or several multiplier stages to provide a pure amplifier stage.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es möglich ist, mit einer Doppelbasisdiode in Sägezahngeneratorschaltung ein wenig aufwendiges, aber qualitativ hochwertiges Frequenzvervielfachungsglied aufzubauen. The invention is based on the knowledge that it is possible to use a double base diode in a sawtooth generator circuit to build a little expensive, but high quality frequency multiplier element.
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.As indicated schematically in FIG. 3 , the sawtooth generator circuit consisting of the double base diode B 1 , B 2 , D and the capacitor K connected in parallel is additionally fed with the fundamental frequency 8 via a coupling capacitor 9. Is now on one between the negative base electrode!?! and the output resistor 10 located at the negative pole of the supply voltage source (-Uf 1 ), the occurring voltage is tapped, preferably via a capacitor 13, the result is a voltage train 11 which differs from the basic frequency 8 in that it has a pulse in every positive half-wave 12 has a high edge steepness, which is automatically added by the sawtooth generator. As a result of the greatly increased conductivity of the path B 1 , B 2 of the double base diode in the tilted state, a significantly larger part of the supply voltage JT 6 suddenly occurs at the output resistor 10, so that a series of pulses 12 is generated during the periodic tilting process of the sawtooth generator. In order to get the correct phase assignment of the pulses 12 to the voltage train 11, it is advisable to select the natural frequency of the sawtooth generator somewhat lower than the basic frequency 8, so that the sawtooth oscillation of the basic frequency 8 is still safely drawn. This ensures that the phase assignment between the pulses 12 and the positive half-waves of the voltage train 11 assigned to them always remains the same.
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.The curve shape picked up at the output resistor 10 has a large number of harmonics with a relatively large amplitude, so that with a suitable selective design of the output resistance 10 can tap the desired harmonic in a simple manner.
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.A preferred embodiment of the circuit arrangement according to the invention is shown in FIG. Here, the output resistance 10 is through a parallel resonant circuit 14 is replaced, which is tuned to the desired fj times the frequency of the fundamental frequency is.
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.It can also be expedient to switch on a series resonant circuit instead of the parallel resonant circuit 13, which must also be tuned to the desired n-th frequency of the fundamental frequency. In this case, the output voltage is tapped either at the inductance or at the capacitance of this series resonant circuit.
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.According to a further development of the invention, several multiplier stages constructed in this way are added a cascade circuit, the coupling of the individual cascade stages preferably takes place via coupling capacitors. With such a cascade connection, there is a multiplication factor achieved by multiplying the multiplication factors of the individual levels results. The multiplication factors of the individual levels are determined by the ratio The resonance frequency of the resonant circuit 14 is given to the fundamental frequency 8. With such cascade connections it may be appropriate to use a pure amplifier stage after one or more multiplier stages to arrange, which serves to rebalance the energy balance.
Claims (7)
»Elektronics«, März 1955, S. 198 bis 202.Considered publications:
"Electronics", March 1955, pp. 198 to 202.
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| DES54607A DE1046689B (en) | 1957-08-02 | 1957-08-02 | Circuit arrangement for frequency multiplication using double base diodes |
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1957
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