DE1297659B - Temperature compensated astable multivibrator with controllable natural frequency - Google Patents
Temperature compensated astable multivibrator with controllable natural frequencyInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen astabilen Multivibrator, dessen Eigenfrequenz durch Veränderung der den Ladewiderständen der Kondensatoren zugeführten Gleichspannung gesteuert wird.The invention relates to a circuit arrangement for an astable Multivibrator whose natural frequency is changed by changing the charging resistances of the DC voltage supplied to capacitors is controlled.
Übliche, aus Halbleiterbauelementen aufgebaute astabile Multivibratoren enthalten zwei Transistoren, deren Kollektorelektroden über je einen Kondensator mit der Basiselektrode des jeweils anderen Transistors verbunden sind. über Kollektorwiderstände sind die Kollektorelektroden außerdem mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden. Die steuernde Gleichspannung wird den Basiselektroden der Transistoren über je einen Ladewiderstand zugeführt. Um die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren vor Überspannungen zu schützen, werden die Kondensatoren und die Ladewiderstände auch über eine jedem Transistor zugeordnete Diode an die Basiselektroden angeschlossen. Die Eigenfrequenz dieses Multivibrators hängt in bekannter Weise von der Größe der Kollektor- und Ladewiderstände sowie der Kapazitäten ab. Darüber hinaus beeinflussen die Anlaufspannungen der Dioden und Basis-Emitter-Strecken der Transistoren die Schwingungsfrequenz. Durch die Anlauf-Spannung einerDiode und einerBasis-Emitter-Strecke wird eine Schwellspannung gebildet, die überschritten werden muß, wenn der Transistor in den leitenden Zustand gesteuert werden soll. Je geringer also diese Schwellspannung ist, desto höher ist die Schwingungsfrequenz. Bekannt ist auch der lineare Zusammenhang zwischen der den Ladewiderständen zugeführten Gleichspannung, auf die sich die Kondensatoren aufladen und der Eigenfrequenz. Man hat derartige Multivibratoren deshalb bereits als lineare Frequenzmodulatoren verwendet, die mit geringem Aufwand und ohne Spulen realisierbar sind. Sie haben jedoch den Nachteil, daß ihre Eigenfrequenz in starkem Maße temperaturabhängig ist. Als Frequenzgenerator in Geräten zur Übertragung digitaler Nachrichten mit Frequenzmodulation sind derartige Multivibratoren nur verwendbar, wenn die Frequenzänderungen infolge von Temperaturänderungen innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen bleiben. Der Temperaturbeiwert der Kondensatoren und der Kohleschichtwiderstände läßt sich in bekannter Weise mit Hilfe von Metallschichtwiderständen kompensieren. Außerdem beeinftußt aber die mit steigender Temperatur sinkende Anlaufspannung der Basis-Emitter-Strecken der Transistoren sowie der zum Schutz der Transistoren vor Überspannung erforderlichen Dioden die Eigenfrequenz des Multivibrators in unerwünschter Weise.Usual astable multivibrators made up of semiconductor components contain two transistors, whose collector electrodes each have a capacitor are connected to the base electrode of the respective other transistor. via collector resistors the collector electrodes are also connected to one pole of the voltage source. The controlling DC voltage is applied to the base electrodes of the transistors via one each Charging resistor supplied. To protect the base-emitter paths of the transistors from overvoltages To protect, the capacitors and the charging resistors are also on top of each other Transistor associated diode connected to the base electrodes. The natural frequency this multivibrator depends in a known way on the size of the collector and Charging resistances and capacities. In addition, the starting voltages influence of the diodes and base-emitter paths of the transistors the oscillation frequency. The starting voltage of a diode and a base-emitter path creates a threshold voltage formed, which must be exceeded when the transistor is in the conductive state should be controlled. So the lower this threshold voltage, the higher it is the vibration frequency. The linear relationship between the DC voltage fed to the charging resistors, on which the capacitors are based charge and the natural frequency. Multivibrators of this type are therefore already available used as linear frequency modulators with little effort and without coils are realizable. However, they have the disadvantage that their natural frequency is strong Dimensions is temperature dependent. As a frequency generator in devices for the transmission of digital Such multivibrators can only be used for messages with frequency modulation if the frequency changes due to temperature changes are within the prescribed The limits remain. The temperature coefficient of the capacitors and the carbon film resistors can be compensated in a known manner with the aid of metal film resistors. In addition, however, the starting voltage, which decreases as the temperature rises, influences the Base-emitter routes of the transistors as well as the protection of the transistors Overvoltage required diodes reduce the natural frequency of the multivibrator in undesirable Way.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung anzugeben, die den Einfluß des Temperaturgangs der Anlaufspannung der Halbleiterbauelemente kompensiert.The object of the invention is to specify a circuit arrangement, the influence of the temperature response of the starting voltage of the semiconductor components compensated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die steuernde Gleichspannung über einen Transistorverstärker zugeführt wird, dessen Halbleiterbauelemente das gleiche Temperaturverhalten aufweisen wie die Bauelemente des Multivibrators.This object is achieved according to the invention in that the controlling DC voltage is supplied via a transistor amplifier, its semiconductor components have the same temperature behavior as the components of the multivibrator.
Auf diese Weise wird erreicht, daß die Schwellspannung des Multivibrators und die steuernde Gleichspannung bei einer Temperaturänderung im gleichen Sinne verändert werden. Eine Temperaturerhöhung bewirkt sowohl im Multivibrator als auch im Verstärker eine Herabsetzung der Anlaufspannung der Halbleiterbauelemente und damit eine Verringerung der Ausgangsspannung des Verstärkers - also der Steuerspannung - und der Schwellspannung innerhalb des Multivibrators. Da die Verringerung der Steuerspannung zu einer Herabsetzung der Eigenfrequenz, die Verringerung der Schwellspannung dagegen zu einer Erhöhung der Eigenfrequenz führt, wird der Einfluß des Temperaturgangs der Schwellspannung durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kompensiert.In this way it is achieved that the threshold voltage of the multivibrator and the controlling DC voltage in the event of a temperature change in the same sense to be changed. A temperature increase causes both in the multivibrator and in the amplifier a reduction in the starting voltage of the semiconductor components and thus a reduction in the output voltage of the amplifier - i.e. the control voltage - and the threshold voltage within the multivibrator. Since reducing the Control voltage to reduce the natural frequency, reducing the threshold voltage however, leads to an increase in the natural frequency, the influence of the temperature response the threshold voltage is compensated by the circuit arrangement according to the invention.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Ausgang des Transistorverstärkers über einen Weichtasttiefpaß mit den Ladewiderständen des Multivibrators verbunden. Das Sendespektrum wird also bereits im Basisband auf die geringstmögliche Breite begrenzt. Außerdem verhindert der Weichtasttiefpaß das Mitziehen der Eigenfrequenz des Multivibrators, das bei harter Tastung und bestimmten Verhältnissen der Eigenfrequenz zur Telegrafiergeschwindigkeit auftreten kann.According to an advantageous embodiment of the invention, the output is of the transistor amplifier via a soft key low-pass filter with the charging resistors of the Multivibrators connected. The transmission spectrum is therefore already in the baseband on the narrowest possible width. In addition, the soft key prevents it from being dragged along the natural frequency of the multivibrator, which occurs with hard keying and certain conditions the natural frequency to the telegraph speed can occur.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus einem an Hand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel hervor. Es zeigt F i g. 1 einen linearen Frequenzmodulator mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, F i g. 2 den Verlauf der Spannung UQb bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Werten der Steuerspannung.Further details of the invention can be found in the figures described embodiment. It shows F i g. 1 a linear frequency modulator with the circuit arrangement according to the invention, FIG. 2 the course of the voltage UQb at different temperatures and different values of the control voltage.
Die in F i g. 1 dargestellte Schaltungsanordnung besteht aus dem astabilen Multivibrator M, dem Transistorverstärker Tk zur Temperaturkompensation, einem Eingangsschalter ES sowie bekannten Einrichtungen zur Stabilisierung der Betriebsspannung St. An die Ausgangsklemme A wird ein hier nicht dargestellter Ausgangsverstärker angeschlossen, der die frequenzmodulierte Wechselspannung auf den erforderlichen Sendepegel verstärkt. Der aus dem Transistor T 1 sowie den Widerständen R 1 und R 2 aufgebaute Eingangsschalter ES setzt die ankommenden binären Signale in analoge Spannungswerte um, die dem Eingang des Transistorverstärkers Tk zugeführt werden. Dieser Transistorverstärker besteht aus dem Transistor T2, dem Kollektorwiderstand R6 sowie dem Emitterwiderstand R 5 und der in den Emitterkreis geschalteten Diode D 2. Diese Diode kann auch in den Basiskreis des Transistors T2 eingeschaltet werden. Die Ausgangsspannung dieses Verstärkers wird den Ladewiderständen R 11, R 12, R 13 und R 14 des Multivibrators M über einen Weichtasttiefpaß TP als Steuerspannung U2 zugeführt. Die Widerstände im Emitter-, Kollektor- und Basiskreis der Transistoren T 3 und T 4 des Multivibrators sind jeweils zur Kompensation des Temperaturbeiwertes der Widerstände und Kondensatoren in Kohleschichtwiderstände R 8, R9, R12, R14, R16 und R17 sowie Metallschichtwiderstände R 7, R 10, R 11, R 13, R 15 und R 18 aufgeteilt.The in F i g. 1 consists of the astable multivibrator M, the transistor amplifier Tk for temperature compensation, an input switch ES and known devices for stabilizing the operating voltage St. An output amplifier, not shown here, is connected to the output terminal A, which amplifies the frequency-modulated AC voltage to the required transmission level. The input switch ES , made up of the transistor T 1 and the resistors R 1 and R 2, converts the incoming binary signals into analog voltage values which are fed to the input of the transistor amplifier Tk. This transistor amplifier consists of the transistor T2, the collector resistor R6 and the emitter resistor R 5 and the diode D 2 connected to the emitter circuit. This diode can also be switched into the base circuit of the transistor T2. The output voltage of this amplifier is fed to the charging resistors R 11, R 12, R 13 and R 14 of the multivibrator M via a soft key filter TP as control voltage U2. The resistors in the emitter, collector and base circuit of the transistors T 3 and T 4 of the multivibrator are each used to compensate for the temperature coefficient of the resistors and capacitors in carbon film resistors R 8, R9, R12, R14, R16 and R17 as well as metal film resistors R 7, R 10 , R 11, R 13, R 15 and R 18 divided.
Der Transistor T3 sei zunächst leitend, der Transistor T4 gesperrt. Der Kondensator C1 wird dann über die Widerstände R 13, R 14 und R 7, R 8 gegen die Steuerspannung U2 (T1) aufgeladen (F i g. 2 a, Kurve 1). Gleichzeitig wird der Kondensator C2 über die Widerstände R 7, R 8 und R 17, R 18 entladen. Da die Zeitkonstante dieses Entladevorgangs wesentlich kleiner ist als die des Aufladevorgangs und die Emitterwiderstände (R 7 -f- R 8) bzw. (R 15 -I- R 16) viel kleiner sind als die Basiswiderstände (R 1.1+R 12) bzw. (R 13 -1- R 14), wird die Schwingungsfrequenz hauptsächlich durch die Größe der Basiswiderstände bestimmt. überschreitet die Spannung am Kondensator C1 die Schwellspannung Us (T 1) zwischen den Knotenpunkten a und b des Multivibrators, so wird der Transistor T4 in den leitenden und der Transistor T3 in den gesperrten Zustand gesteuert. Das Kollektorpotential des Transistors T3 steigt, während das des Transistors T 4 fällt. Der Kondensator C 1 wird über die Widerstände R 9, R 10 und R 15, R 16 entladen, während der Kondensator C2 über die Widerstände R 11, R 13 und R 15, R 16 geladen wird. Der Transistor T4 bleibt durch den konstanten Basisstrom über die Widerstände R 13 und R 14 weiterhin geöffnet. überschreitet nun die Spannung am Kondensator C2 die Schwellspannung an der Diode D 3, so wird der Transistor T 4 gesperrt und der Transistor T3 wiederum in den leitenden Zustand gesteuert. Die bereits beschriebenen Abläufe wiederholen sich nun.The transistor T3 is initially conductive, the transistor T4 is blocked. The capacitor C1 is then charged against the control voltage U2 (T1) via the resistors R 13, R 14 and R 7, R 8 (FIG. 2 a, curve 1). At the same time, the capacitor C2 is discharged through the resistors R 7, R 8 and R 17, R 18. Since the time constant of this discharging process is much smaller than that of the charging process and the emitter resistances (R 7 -f- R 8) or (R 15 -I- R 16) are much smaller than the base resistances (R 1.1 + R 12) or (R 13 -1- R 14), the oscillation frequency is mainly determined by the size of the base resistances. If the voltage on the capacitor C1 exceeds the threshold voltage Us (T 1) between the nodes a and b of the multivibrator, the transistor T4 is switched to the conductive state and the transistor T3 to the blocked state. The collector potential of transistor T3 rises, while that of transistor T 4 falls. The capacitor C 1 is discharged via the resistors R 9, R 10 and R 15, R 16, while the capacitor C2 is charged via the resistors R 11, R 13 and R 15, R 16. The transistor T4 remains open due to the constant base current through the resistors R 13 and R 14. If the voltage at the capacitor C2 now exceeds the threshold voltage at the diode D 3, the transistor T 4 is blocked and the transistor T3 is again switched to the conductive state. The processes already described are now repeated.
Aus der F i g. 2 a geht hervor, in welcher Weise sich die Schwingungsfrequenz bei fester Steuerspannung U 2 in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Bei einer Temperaturerhöhung von T 1 auf T 2 sinkt die Schwellspannung von Us (T 1) auf Us (T 2). Die durch die Kurve 1 dargestellte Schwingung geht dann in die Schwingung 2 mit höherer Frequenz über. Wird dagegen bei gleichbleibender Temperatur T1, also konstanter Schwellspannung, die Steuerspannung herabgesetzt, so schwingt der Multivibrator mit niedrigerer Frequenz (F i g. 2 b, Kurve 3). Der Transistor T 2 und die Diode D 2 des Transistorverstärkers bilden nun die im Multivibrator enthaltenen Dioden und Transistoren hinsichtlich ihres Temperaturverhaltens nach. Bei einer Temperaturerhöhung nehmen die Anlaufspannungen der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T 2 und der Diode D 2 ab und der Kollektorstrom steigt. Dieser Stromanstieg bewirkt wegen des höheren Spannungsabfalls am Kollektorwiderstand R 6 eine Abnahme der Ausgangsspannung U2 des Verstärkers, deren Grad durch die Dimensionierung der Widerstände R 5 und R 6 beeinflußt werden kann. Bei einer Temperaturänderung beeinflussen daher der Verstärker Tk und die Änderungen der Schwellspannung die Eigenfrequenz des astabilen Multivibrators in entgegengesetztem Sinn. Die Kurve 4 in der F i g. 2b zeigt, daß bei geeigneter Dimensionierung der Widerstände R 5 und R 6 (z. B. R 5 = 1,3 k9, R 6 = 2 kQ) die durch die Verkleinerung der Schwellspannung Us hervorgerufene Frequenzerhöhung kompensiert wird. Die durch die Kurve 4 dargestellte Schwingung hat die gleiche Frequenz wie die durch die Kurve 1 dargestellte Schwingung in F i g. 2a. Erfindungsgemäß aufgebaute lineare Frequenzmodulatoren mit den Kennfrequenzen 1300 bis 1700 Hz bzw. wahlweise 1300 bis 2100 Hz wurden bei 40° C übertemperatur - bezogen auf -I-25° C Raumtemperatur - geprüft. Es ergaben sich bei der Sollfrequenz 1300 Hz eine maximale Abweichung von 3,0 Hz, bei der Frequenz 1700 Hz eine Abweichung von 6,1 Hz und bei der Frequenz 2100 Hz eine Abweichung von 8,4 Hz.From FIG. 2 a shows the way in which the oscillation frequency changes with a fixed control voltage U 2 as a function of the temperature. When the temperature increases from T 1 to T 2 , the threshold voltage drops from Us (T 1) to Us (T 2). The oscillation represented by curve 1 then changes into oscillation 2 with a higher frequency. If, on the other hand, the control voltage is reduced while the temperature T1 remains constant, that is to say with a constant threshold voltage, the multivibrator oscillates at a lower frequency (FIG. 2 b, curve 3). The transistor T 2 and the diode D 2 of the transistor amplifier now simulate the diodes and transistors contained in the multivibrator with regard to their temperature behavior. When the temperature increases, the starting voltages of the base-emitter path of the transistor T 2 and the diode D 2 decrease and the collector current increases. Because of the higher voltage drop across the collector resistor R 6, this increase in current causes a decrease in the output voltage U2 of the amplifier, the degree of which can be influenced by the dimensioning of the resistors R 5 and R 6. In the event of a temperature change, the amplifier Tk and the changes in the threshold voltage therefore influence the natural frequency of the astable multivibrator in the opposite sense. The curve 4 in FIG. 2b shows that with suitable dimensioning of the resistors R 5 and R 6 (e.g. R 5 = 1.3 k9, R 6 = 2 kΩ), the increase in frequency caused by the reduction in the threshold voltage Us is compensated. The oscillation represented by curve 4 has the same frequency as the oscillation represented by curve 1 in FIG. 2a. Linear frequency modulators constructed according to the invention with the characteristic frequencies 1300 to 1700 Hz or optionally 1300 to 2100 Hz were tested at 40 ° C. excess temperature - based on -I-25 ° C. room temperature. There was a maximum deviation of 3.0 Hz for the target frequency of 1300 Hz, a deviation of 6.1 Hz for the frequency 1700 Hz and a deviation of 8.4 Hz for the frequency 2100 Hz.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ohne weiteres auch mit pnp-Transistoren aufzubauen. In diesem Fall müssen die Betriebsspannungen und alle Dioden umgepolt werden.Of course, the circuit arrangement according to the invention is without to build further also with pnp transistors. In this case, the operating voltages and all diodes are polarized.
Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere für übertragungssysteme mit relativ großem Verhältnis von Mittenfrequenz zu Frequenzhub, also beispielsweise für Modulationsgeräte zur schnellen Datenübertragung mit binärer und duobinärer Frequenzmodulation sowie für Geräte zur Telegrafieübertragung auf Funkverbindungen, bei denen Weichtastung vorgeschrieben ist.The proposed circuit arrangement is particularly suitable for transmission systems with a relatively large ratio of center frequency to frequency deviation, So for example for modulation devices for fast data transmission with binary and duobinary frequency modulation as well as for telegraphic transmission devices Radio links where soft keying is mandatory.
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1967
- 1967-09-26 DE DE1967S0112015 patent/DE1297659B/en active Pending
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|---|---|---|---|---|
| DE1084755B (en) * | 1959-06-12 | 1960-07-07 | Phil Habil Oskar Vierling Dr | Temperature-independent, astable transistor multivibrator |
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