DE1286148B

DE1286148B - Schaltung zur Demodulation phasenwinkelmodulierter Schwingungen

Info

Publication number: DE1286148B
Application number: DER45375A
Authority: DE
Inventors: Avins Jack
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1964-09-14
Filing date: 1967-02-24
Publication date: 1969-01-02
Also published as: ES337284A1; GB1124276A; DE1466236C2; NL6703066A; SE339249B; US3383607A; DE1466236B1; BR6573150D0; FR1446857A; GB1124278A; NL153389B; NL6511771A; GB1124275A; SE334925B; FR1512751A; BE669568A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Demodulation phasenwinkelmodulierter Schwingungen mit einem Frequenzdiskriminatortransformator, dessen Sekundärwicklung mindestens zum Teil in einem Reihenkreis mit zwei Gleichrichtern und einem Arbeitswiderstand liegt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Schaltung, die zum größten Teil als sogenannte »integrierte Schaltung« oder »Halbleiterschaltung« ausführbar ist.

Unter dem Begriff »integrierte Schaltung« soll hier, wie üblich, eine einstückige. Halbleiteranordnung verstanden werden, die eine Anzahl von miteinander verbundenen aktiven und passiven Schaltungselementen enthält.

Es ist derzeit noch nicht möglich, Induktivitäten in integrierten Schaltungen auf befriedigende Weise herzustellen. Auch Kondensatoren stellen für integrierte Schaltungen noch ein erhebliches Problem dar, da sie auch bei kleinen Kapazitätswerten verhältnismäßig große Flächen in dem Halbleiterkörper der integrierten Schaltung einnehmen und infolge ihrer Neigung zu Kurzschlüssen eine häufige Fehlerquelle darstellen.

Bei der Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, einen Phasen- oder Frequenzdemodulator möglichst weitgehend als integrierte Schaltung aufzubauen, wird man also nach dem derzeitigen Stand der Technik davon ausgehen müssen, daß der abgestimmte, phasenschiebende Diskriminatortransformator nicht in die integrierte Schaltung einbezogen werden kann. Die bekannten Schaltungen zur Demodulation phasenwinkelmodulierter Schwingungen lassen sich jedoch auch mit dieser Einschränkung nur schlecht als integrierte Schaltung aufbauen. Der Grund hierfür liegt darin, daß die bekannten Schaltungen dieser Art mit einer Spitzengleichrichtung der zugeführten Signalspannungen arbeiten und der Diskriminator einen Arbeitskreis enthält, dessen Zeitkonstante bei dieser Arbeitsweise erheblich größer als die Periodendauer der zu demodulierenden Schwingung sein muß. Zur Realisierung von Arbeitskreisen mit Zeitkonstanten der erforderlichen Größe werden aber Widerstände und Kondensatoren mit Werten benötigt, die für eine wirtschaftliche Herstellung im Halbleiterkörper einer integrierten Schaltung zu groß sind.

In der deutschen Patentanmeldung R 41520 IXd/ 21 a4,29/01 (P 1466236.3) ist es nun zwar bereits vorgeschlagen worden, in einer integrierten Schaltungsanordnung zur Demodulation winkelmodulierter Schwingungen einen Arbeitskreis mit relativ kleiner Zeitkonstante zu verwenden. Bei der vorgeschlagenen Schaltung können die Kapazitäten des Arbeitskreises durch in Sperrichtung vorgespannte Dioden gebildet werden, die zusätzlich zu den Demodulatordioden vorgesehen sind.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Schaltungsanordnung der vorgeschlagenen Art noch weiter vereinfacht, so daß sie noch leichter und billiger als die vorgeschlagene Schaltungsanordnung in integrierter Technik herstellbar ist.

Bei der vorliegenden Schaltungsanordnung wird nur eine sehr kleine Kapazität zur Filterung des winkelmodulierten, insbesondere frequenzmodulierten Signals verwendet. Man braucht also nicht wie bei der üblichen Spitzengieichrichtung Kondensatoren mit großen Kapazitätswerten zu verwenden. Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird gemäß der Erfindung die Kapazität zum Herausfiltern der Signalkapazität und ihrer Oberwellen ausschließlich durch die Streukapazität der Widerstände gebildet, bei denen es sich um integrierte Widerstände handeln kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Schaltungsanordnung zur Demodulation einer frequenzmodulierten Schwingung ist ein abgestimmter, phasenschiebender Diskriminatortransformator vorgesehen, der nicht zu dem die integrierte Schaltung bildenden Halbleiterkörper gehört. Der Diskriminatortransformator ist jedoch an die integrierte Schaltung angeschlossen und speist zwei Gleichrichter in dem die integrierte Schaltung bildenden Halbleiterkörper oder Plättchen. Das Plättchen enthält ferner zwei integrierte Arbeitswiderstände, die mit den Gleichrichtern verbunden sind und mit diesen und der Sekundärwicklung des Diskriminatortransformators einen Reihenkreis bilden. Der Arbeitskreis des Demodulators besteht ausschließlich aus den Arbeitswiderständen und deren Eigenkapazität, welch letztere zur Filterung des der Primärwicklung des Transformators zugeführten frequenzmodulierten Signals und seiner Oberwellen dient. Die Zeitkonstante des Arbeitskreises ist verhältnismäßig klein und kann beispielsweise in der Größenordnung der Periodendauer der dem Diskriminatortransformator zugeführten modulierten Trägerschwingung liegen.

Die Erfindung wird an Hand eines in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die in der Zeichnung als Anwendungsbeispiel der Erfindung dargestellte Schaltungsanordnung stellt einen Teil eines Fernsehempfängers dar. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dieses bevorzugte Anwendungsgebiet beschränkt, sondern läßt sich auch bei Hörfunkempfängern und Hochfrequenzempfängern für andere Dienste u. dgl. verwenden.

Das gestrichelte Rechteck 10 versinnbildlicht ein monolithisches Halbleiterplättchen einer integrierten Schaltung, an dessen Rand eine Anzahl von Kontaktflecken angeordnet sind. Bei dem vorliegenden Beispiel wird Kontaktflecken 12, 14 eine zu verarbeitende frequenzmodulierte Schwingung zugeführt. Der Kontaktfleck 14 bildet gleichzeitig den Masseanschluß der integrierten Schaltung. Das die integrierte Schaltung enthaltende Plättchen 10 kann beispielsweise eine Größe von 1,25 · 1,25 mm und darunter haben.

Mit den Kontaktflecken 12, 14 ist ein Resonanzkreis 20 angeschlossen, der auf die Schwingung zwischen dem Bild- und Tonträger eines Fernsehsignals, also beispielsweise 4,5 MHz, abgestimmt und über einen Kopplungskondensator 18 mit einer Klemme 16 verbunden ist, die ihrerseits beispielsweise mit dem Videodemodulator oder Videoverstärker des sonst nicht näher dargestellten Fernsehempfängers verbunden ist. Der Resonanzkreis 20 und der Kopplungskondensator 18 gehören bei diesem Beispiel nicht zur integrierten Schaltung, sind mit dieser jedoch durch die Kontaktflecken 12, 14 verbunden. Die Kontaktflecken 12, 14 sind im Plättchen 10 mit einer Begrenzer-Verstärker-Stufe 22 gekoppelt, die als integrierte Schaltung ausgelegt ist und eine Verstärker-Begrenzer-Stufe 24 speist, die zwei emittergekoppelte Transistoren 26, 28 enthält. Die Emitterelektroden der Transistoren 26, 28 sind beide über einen gemeinsamen Widerstand 29 mit Masse verbunden. Die Kollektorelektrode des Transistors 26

55

Eaf 2 Φ

ist an einen Kontaktfleck 30 angeschlossen, der mit dem positiven Pol einer nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle verbunden ist.

Die Kollektorelektrode des Transistors 28 ist über einen Kontaktfleck 32 mit der Primärwicklung 34 eines abgestimmten Phasenschieber-Diskriminatortransformators 36 verbunden. Die Sekundärwicklung 38 des Diskriminatortransformators 36 ist zwischen zwei Kontaktflecke 48,42 geschaltet. Ein Mittelabgriff der Sekundärwicklung 38 ist über eine dritte Wicklung 44 mit einer Klemme 46 verbunden, die an den positiven Pol einer nicht dargestellten Betriebsspannungsquelle angeschlossen ist.

Die Sekundärwicklung 38 des Diskriminatortransformators speist zwei entgegengesetzt gepolte GleichrichterSO, 52. In Reihe zwischen die Anode des Gleichrichters 50 und die Kathode des Gleichrichters 52 sind zwei Arbeitswiderstände 54, 56 geschaltet, die mit den Gleichrichtern und der Sekundärwicklung 38 des Transformators 36 einen Reihenkreis bilden. In dem beschriebenen Diskriminatorkreis werden die zugeführten frequenzmodulierten Signale demoduliert. Das demodulierte Signal erscheint am Verbindungspunkt der Widerstände 54, 55 und steuert den Basisstrom eines Transistors 58, der mit Emitter- und Kollektorwiderständen 60 bzw. 62 gleichen Widerstandswertes verbunden ist. Der Transistor 58 ist als Tonfrequenzverstärker geschaltet und liefert ein Gegentaktausgangssignal, das an Kontaktflecken 64, 66 abnehmbar ist, welche mit seinem Kollektor bzw. seinem Emitter verbunden sind. Gewünschtenfalls könnte auch an einem der Kontaktflecke 64 oder 66 einerseits und Masse andererseits ein unsymmetrisches Ausgangssignal abgenommen werden.

Die Betriebsspannungsklemme 46 ist ferner über einen Kontaktfleck 76 mit der Basis des Transistors 28 verbunden. Die Betriebsspannungen an den Kontaktflecken 30 und 76 sind verschieden, sie können bei- ist spielsweise, auf Masse bezogen, +7 bzw. +2VoIt · betragen. Mit dem Massekontaktfleck 14 ist außer- 40 e_4F — dem ein Bezugsspannungspunkt der Spannungsquellen verbunden. Selbstverständlich genügt es an sich, der integrierten Schaltung nur eine einzige Betriebsspannung zuzuführen und die erforderlichen verschiedenen Spannungen durch einen Spannungsteiler aus einem geeignet abgegriffenen Widerstand oder mehreren Widerständen, die auf oder in dem Plättchen 10 gebildet sind, herzustellen.

Im Betrieb der Schaltung liegt zwischen der Basiselektrode des Transistors 26 und Masse eine in der Amplitude begrenzte frequenzmodulierte Schv/ingung, die durch den emittergekoppelten Verstärker 24 weiter begrenzt wird, so daß der Ausgangsstrom im Kollektorkreis des Transistors 28 praktisch die Form einer Rechteckschwingung mit im wesentlichen gleichbleibender Amplitude hat. Die begrenzte Schwingung wird über die abgestimmten Primär- und Sekundärwicklungen des Öiskriminatortraiisformators 36 den Gleichrichtern 50, 52 zugeführt. Der Arbeitskreis dieser Gleichrichter besteht aus den Widerständen 54, 56 und der verteilten Kapazität der Arbeitswiderstände 54, 56 der integrierten Schaltung und der Kapazität zwischen den eng benachbarten Leitungen der integrierten Schaltung. Die Eigenkapazität der Arbeitswiderstände 54, 56 der integrierten Schaltung und die Kapazität zwischen den nahe benachbarten Leitungen der integrierten Schaltung bilden hier also die ganze erforderliche Ideine Filterkapazität.

Da die dritte Wicklung 44 des Diskriminatortransformators über die Klemme 46 an eine positive Spannung, z.B. +2VoIt, bezüglich Masse angeschlossen ist, liegen auch die Eingangselektroden der Gleichrichter 50, 52 auf dieser Spannung. Wenn ein Eingangssignal anliegt, läßt diese Spannung einen Strom durch die Arbeitswiderstände 54,56 fließen, so daß die positive Spannung, also beispielsweise + 2 Volt, am Verbindungspunkt der Widerstände 54, 56 auftritt, wenn die Frequenz des Eingangssignals mit der Mittelfrequenz übereinstimmt. Der an den Ausgang angeschlossene Tonfrequenzverstärkertransistor 58 erhält also durch die Diskriminatorschaltung eine symmetrische Vorspannung.

Bei der in der Figur dargestellten Schaltung erfolgt eine Effektivgleichrichtung mit im wesentlichen reeller Belastung. Das Herausfiltern der Trägerfrequenz und ihrer Oberwellen erfolgt durch dje Streu- und Eigenkapazitäten der Arbeitswiderstände 54, 56 und wird durch die Kapazität zwischen den Leitungen im Plättchen 10 unterstützt.

Die Demodulation kann als Schaltvorgang betrachtet werden, bei dem der Verbindungspunkt der Widerstände 54, 56 periodisch mit der Signalspannung am Mittelabgriff der Sekundärwicklung 38 des Transformators 36 verbunden wird. Mit

E₁ = Spitzenwert der Spannung am Mittelabgriff,

Spitzenwert der Sekundärspannung, demodulierte Ausgangsspannung, Stromflußwinkel der Gleichrichter 50 und 52,

Phasenverschiebung bei Frequenzabweichung von der Mittelfrequenz (Resonanzfrequenz des die Sekundärwicklung 38 enthaltenden Schwingkreises)

_AF =

Λ+Φ J -Φ

.E₁ sin (a>t + Θ) d(mt)

E₁ 2Φ

cos(cui

sin d Θ.

Ί⁺*

J-Φ

Wenn die Sekundärwicklung im Vergleich zum »Kontaktpotential« der Gleichrichter einen ausreichend großen Wert hat, um über 180° zu schalten, ist

und

so daß sin Φ
Φ

E_AF = —'E₁ sin Θ.

Die vorliegende Schaltung hat also unter diesen Voraussetzungen den Vorteil, daß die demodulierie Ausgangsspannung E_AF unabhängig von der Amplitude der Spannung E₂ an der Sekundärwicklung ist.

Wenn die Sekundärspannung nicht groß genug ist, um das Gleichrichter-Kontaktpotential zu überwinden, nehmen der Schaltwinkel ab und -^— zu. Die demodulierte Ausgangsspannung nimmt dann auch zu, wie die folgende. Tabelle zeigt:

Schaltwinkel	Φ	sin Φ
180°	π T	Φ
90°	π T	0,64
45°	η Ύ	0,90
0°	0	0,98
1,0

Die effektive Empfindlichkeit des vorliegenden Demodulators, der mit Mittelung bzw. Abgreifen höheren Wirkungsgrad, geringeren Leistungsverbrauch und weitgehendere Unempfindlichkeit gegen Störimpulse.

Es hat sich gezeigt, daß die in der Figur dargestellte integrierte Schaltung mit der verteilten Kapazität der Widerstände 54, 56 und der Kapazität zwischen den Leitungen der integrierten Schaltung einwandfrei arbeitet und sehr vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Wenn die Widerstände 54,56 einen Wert von 10 kOhm haben, ergibt sich eine Zeitkonstante von 0,1 μβ, die kleiner ist als die 2 μβ betragende Periodendauer des Eingangssignals. Bei einer frequenzmodulierten Schwingung von 4,5MHz liegt die Zeitkonstante von 0,1 μ5 in der Größenordnung des O,2^s-Signals. Bei der dargestellten Schaltung geht auch noch die Eingangskapazität des Tonfrequenzverstärkertransistors 58 ein.

Die Verwendung eines Diskriminatorarbeitskreises mit einer derart kleinen Zeitkonstante hat bei integrierten Schaltungen eine Anzahl wesentlicher Vorteile. Infolge der im Vergleich zu den bekannten Diskriminatorschaltungen nur sehr kleinen Kapazitätswerte wird nur wenig oder kein zusätzlicher Raum für Kapazitäten auf dem Plättchen der integrierten Schal

quelle größer als ein üblicher Demodulator mit Spitzengleichrichtung. Dies läßt sich durch einen Vergleich der von der Signalquelle aufzubringenden Leistungen P zeigen. Für einen Demodulator mit Effektivwertgleichrichtung, der mit einem Arbeitswiderstand R belastet ist, gilt:

_5L

(2R)

Dabei ist E der Efiektivwert der Eingangsspannung. Die effektive Belastung der Signalquelle ist also in diesem Falle 2 R.

Für einen.Demodulator mit Spitzengleichrichtung, der mit einem Widerstand R, welcher durch einen Kondensator C überbrückt ist, belastet ist. gilt

P =

(12

arbeitet, ist wegen der geringen Belastung der Signal- 25 tung benötigt, so daß der Arbeitskreis des Diskrimi-

nators ohne Schwierigkeiten als integrierte Schaltung realisiert werden kann. Zweitens macht es die Verringerung .der am Eingang wirksamen Belastung möglich, eine gleichmäßige, lineare Diskriminatorkennlinie gewünschter Bandbreite unabhängig von Exemplarstreuungen der durch Diffusion hergestellten Arbeitswiderstände zu erreichen. Drittens entfallen die für mit Spitzengleichrichtung arbeitende Diskriminatorschaltungen typischen Impulse hoher Stromstärke, und die hierdurch verursachten hochfrequenten Oberwellen, die in Fernseh- und kommerziellen Nachrichtenempfängern zu Störungen führen können, werden vermieden.

Die Gleichrichter 50,52 des Diskriminators sollten mit einer verhältnismäßig kleinen Sperrschichtfläche hergestellt werden, um Unsymmetrien im Diskriminator möglichst zu vermeiden. Die Kapazität zwischen den Kathoden der verschiedenen Gleichrichter und dem Substrat der integrierten Schaltung ist im allgemeinen größer als die Kapazität zwischen den Anoden und dem Substrat. Die zwischen der Kathode des Gleichrichters 52 gegen Masse wirksame Kapazität ist also größer als die von der Anode des Gleichrichters 50 nach Masse wirksame Kapazität. Diese Unsymmetrie kann dadurch beseitigt werden, daß die Abmessungen der Sperrschichten der Gleichrichter in bezug aufeinander so gewählt werden, daß die insgesamt wirksame Kapazität von der Anode des Gleichrichters 50 nach Masse gleich der zwischen der Kathode des Gleichrichters 52 und Masse wirksamen Kapazität ist. In entsprechender Weise können auch die Kapazitäten im Arbeitskreis der dargestellten Diskriminatorschaltung Symmetrien werden.

Bei der als Ausführungsbeispiel dargestellten Schaltung wird die +2VoIt betragende Vorspannung der dritten Wicklung 44 des Transformators 36 zugeführt, und das demodulierte Ausgangssignal wird vom Verbindungspunkt der beiden Arbeitswiderstände 54, 56 abgenommen. Bei der vorliegenden Reihenschaltung lassen sich diese beiden Anschlüsse jedoch vertauschen, die Vorspannung kann also dem Verbindungspunkt der beiden Arbeitswiderstände zugeführt und das demodulierte Ausgangssignal kann

Die Belastung der Signalquelle entspricht also R-2. Die Belastung der den Diskriminatortransformator speisenden Signalquelle ist also bei einem üblichen Demodulator mit Spitzengleichrichtung um den Faktor 4 größer als bei dem vorliegenden Demodulator.

Die geringere Belastung stellt einen wichtigen Vorteil des vorliegenden Demodulators dar. da sie dazu ausgenutzt werden kann, die Flankenempfindlichkeit des Diskriminators und die Bandbreite weitgehend unabhängig von Schwankungen und Streuungen der integrierten Arbeitswiderstände zu machen. Die Exemplarstreuung dieser Widerstände beträgt nämlich in der Praxis bis zu ± 20%, wenn sie, wie üblich, durch Diffusion in dem Halbleiterplättchen der integrierten Schaltung gebildet werden. Bei dem dargestellten und beschriebenen Effektivwertdemodulator ist die wirksame Belastung der Signalquelle durch diese Widerstände jedoch so gering, daß sie praktisch nicht mehr in die Eigenschaften des Diskriminators eingeht. Die Linearität und die Bandbreite ist daher im ganzen Bereich der möglichen Widerstandswerte gewährleistet. Die geringere Belastung ergibt außerdem einen

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am Ende oder einem Abgriff der dritten Wicklung 44 abgenommen werden.

Selbstverständlich" kann auch statt des Transformators. 36 mit getrennter dritter Wicklung 44 auch ein Transformator. ohne diese dritte Wicklung 44 verwendet werden, wenn man die spannungsführende Seite der Primärwicklung 34 oder einen Abgriff dieser Primärwicklung direkt mit dem Mittelabgriff der Sekundärwicklung 38 verbindet. Die positive Spannung für die Diskriminatorschaltung wird dann unmittelbar von der Wicklung 34 geliefert.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Demodulation winkelmodulierter Schwingungen mit einem Diskriminatortransformator, dessen Sekundärwicklung mindestens zum Teil in einem Eeii
mit zwei Gleichrichtern und einem Arbeitswiderstand liegt, dadurch geke anzeichnet, daß der Arbeitskreis der 'Gleichrichter (50, 52) ausschließlich aus dem Arbeiiswidersiand (54,56) und der Streukapazität parallel zum Arbeitswiderstand, besteht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gleichrichter (50,52) und der Arbeitswiderstand (54, $6) Teile einer integrierten Halbleiterschaltang bilden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des den Arbeitswiderstand und die verteilte Kapazität enthaltenden Arbeitskreises praktisch nicht größer ist als die Periodendauer der zugeführten winkelmodulierten Schwingung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 809701/1005