DE1466402C

DE1466402C - Circuit combination, consisting of a parametric up mixer and a phase demodulator

Info

Publication number: DE1466402C
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Schmid Konrad, Göteborg (Schweden)
Publication date: 1972-04-20

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungskombination zur Verstärkung von Niederfrequenz- und Videosignalen, die einerseits aus einem parametrischen Aufwärtsmischer besteht, der nur einen Resonanzkreis mit steuerbaren Reaktanzen aufweist, der auf die Frequenz einer von außen zugeführten Pumpschwingung abgestimmt ist, und in der außerdem die zu verstärkende Signalschwingung, deren Frequenz wesentlich geringer ist als diejenige der Pumpschwingung, eingekoppelt wird, andererseits aus einem Phasendemodulator, dem ebenfalls die Pumpschwingung, jedoch um 90° phasenverschoben, zugeführt wird.The invention is based on a circuit combination for amplifying low-frequency and video signals, which on the one hand consists of a parametric up-converter that has only one Has resonance circuit with controllable reactances, which is fed to the frequency of an externally Pump oscillation is matched, and in addition, the signal oscillation to be amplified, its Frequency is much lower than that of the pump oscillation, is coupled, on the other hand from a phase demodulator, which also has the pump oscillation, but phase shifted by 90 °, is fed.

Im Gegensatz zu Vakuumröhren- und Transistorverstärkern, denen zur Deckung des Energiebedarfs Gleichstromleistung zugeführt wird, wird dem parametrischen Verstärker Hilfsleistung in Form von Wechselstromleistung (Pumpschwingung) zugeführt. Die Frequenz der Pumpschwingung kann wesentlich höher als diejenige der Signalschwingung sein. Als ao wesentliches Element enthält der parametrische Verstärker eine steuerbare Reaktanz, deren Aufgabe es Ll, die zugeführte Pumpleistung zur Signalverstärkung zu verwenden. Daher wird dieser Verstärkertyp oft auch Reaktanzverstärker genannt. Als steuerbare Reaktanz kommt in erster Linie eine Halbleiterdiode mit Vorspannung (oft auch »Kapazitätsdiode« oder »Varaktordiode« genannt) in Betracht; im folgenden wird sie als »Kapazitätsdiode« bezeichnet.In contrast to vacuum tube and transistor amplifiers, which are used to cover energy requirements DC power is supplied to the parametric amplifier auxiliary power in the form of AC power (pump oscillation) supplied. The frequency of the pump oscillation can be significant be higher than that of the signal oscillation. As ao essential element, the parametric amplifier contains a controllable reactance, whose task it is Ll to use the supplied pump power for signal amplification. Hence this type of amplifier becomes often also called reactance enhancers. The main controllable reactance is a semiconductor diode with bias (often also called "capacitance diode" or "varactor diode") into consideration; hereinafter it is called a "capacitance diode".

Bei parametrischen Verstärkern mit Kapazitätsdioden nützt man die Spannungsabhängigkeit der differentiellen Sperrschichtkapazität aus. Eine Änderung der an die Diode angelegten Spannung bewirkt eine entsprechende Änderung der Sperrschichtkapazität. Da hierbei kein Transport von Ladungsträgern durch die Sperrschicht stattfindet, entfällt das mit ' dem Ladungstransport verbundene Schrotrauschen. Im Idealfall einer verlustlosen Reaktanz wird das verbleibende Rauschen nur hervorgerufen von den' in den Kreisen vorhandenen Ohmschen Verlustwiderständen. Dadurch erklärt sich das geringe Eigenrauschen des parametrischen Verstärkers, das als der wesentliche Vorteil dieses Verstärkertyps anzusehen ist.For parametric amplifiers with capacitance diodes, the voltage dependency of the differential junction capacitance. A change the voltage applied to the diode causes a corresponding change in the junction capacitance. Since there is no transport of load carriers through the barrier layer, there is no ' shot noise associated with cargo transport. In the ideal case of a lossless reactance, this will be remaining noise only caused by the ohmic loss resistances present in the circuits. This explains the low noise level of the parametric amplifier, which is called the main advantage of this type of amplifier can be seen.

Es sind parametrische Verstärker mit Kapazitätsdioden bekannt, die sich besonders zur Verstärkung von Niederfrequenzsignalen eignen und deren Schaltung aus der Kombination einer Modulatorbrücke, die steuerbare Reaktanzen aufweist, eines Pumpgenerators, eines selektiven Verstärkers für die vom Modulator erzeugten Seitenfrequenzen und eines ge-'steuerten Demodulators besteht. Durch die an eine Brückendiagonale angelegte Signalschwingung wird eine proportionale Pumpschwingung definierter Phasenlage in der anderen Brückendiagonalen erzeugt. Die Pumpschwingung wird verstärkt und im gesteuerten Demodulator phasenrichtig gleichgerichtet. Derartige Verstärker können eine Mehrzahl von Kreisen enthalten, welche die praktisch erreichbare Signalbandbreite wesentlich einschränken. Weiterhin ist das Rauschen derartiger Verstärker vom Abgleich der Modulatorbrücke abhängig, da diese Verstärker grundsätzlich auf die Amplitudenschwankungen der Pumpschwingung ansprechen, und da insbesondere eine Kompensation des Amplitudenrausches nur bei perfektem Brückenabgleich möglich ist. Es ergeben sich bei derartigen Verstärkern Schwierigkeiten, wenn man die Verstärker zur Verstärkung von breitbandigen Signale (Videosignalen) heranziehen will, einerseits dadurch, daß sie eine Mehrzahl von bandbegrenzenden Kreisen enthalten und andererseits dadurch, daß der Abgleich der Modulatorbrücke bei den für die Verstärkung von Videosignalen erforderlichen Pumpfrequenzen von einigen hundert MHz nur schwer zu beherrschen ist. Insbesondere läßt sich bei hohen Pumpfrequenzen eine unerwünschte, durch Streukapazitäten bewirkte Einkopplung der Pumpschwingung in den Seitenfrequenzverstärker nicht vermeiden. Diese Streu-Einkopplung beeinträchtigt maßgeblich die Rauscheigesnchaften derartiger Verstärker und bewirkt außerdem ein Fehlsignal, am Ausgang des Demodulators.They are parametric amplifiers with capacitance diodes known, which are particularly suitable for amplifying low-frequency signals and their circuit from the combination of a modulator bridge, which has controllable reactances, a pump generator, a selective amplifier for the side frequencies generated by the modulator and a controlled one Demodulator consists. Due to the signal oscillation applied to a bridge diagonal, a proportional pump oscillation of a defined phase position is generated in the other bridge diagonal. The pump oscillation is amplified and rectified with the correct phase in the controlled demodulator. Such amplifiers may include a plurality of circles, which is the most practically achievable Significantly restrict signal bandwidth. Furthermore, the noise of such amplifiers depends on the balancing of the modulator bridge, since these amplifiers are basically based on the amplitude fluctuations respond to the pump oscillation, and there in particular a compensation of the amplitude noise is only possible with a perfect bridge adjustment. It results in such amplifiers Difficulty using the amplifier to amplify broadband signals (video signals) wants to use, on the one hand by the fact that they have a plurality of band-limiting circles included and on the other hand in that the balancing of the modulator bridge in the case of the gain Pump frequencies of a few hundred MHz required by video signals are difficult to master is. In particular, at high pumping frequencies, an undesirable effect caused by stray capacitances can be avoided Do not avoid coupling the pump oscillation into the side frequency amplifier. This Stray coupling significantly affects the noise characteristics of such amplifiers and causes them also a false signal at the output of the demodulator.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Verstärkung von Niederfrequenz- und Videosignalen mit einer Schaltungskombination zu ermöglichen, die keinen bandbegrenzenden Verstärkerfür die Seitenfrequenzen enthält, deren wesentlichen Eigenschaften nicht durch eine Verstimmung des Resonanzkreises beeinträchtigt werden, und die grundsätzlich nur auf die Phasenschwankungen der Pumpschwingung anspricht, da sich diese mit dem bekannten Mittel' der Quarzstabilisierung der Pumpschwingung in bedeutendem Maße vermindern lassen.The invention is based on the object, the amplification of low frequency and To enable video signals with a circuit combination that does not have a band-limiting amplifier for which contains side frequencies whose essential properties cannot be detuned of the resonance circuit are affected, and in principle only due to the phase fluctuations the pumping oscillation responds, as this is done with the well-known means' of quartz stabilization reduce the pumping vibration to a significant extent.

Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, eine Schaltung zu realisieren, die eine parametrische Verstärkung von Niederfrequenz- und Videosignalen mit einfachsten Mitteln ermöglicht.The object of the invention is also to implement a circuit which is parametric Enables amplification of low-frequency and video signals with the simplest of means.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schaltungskombination durch folgende Schaltungsmaßnahmen gelöst: In the circuit combination mentioned at the outset, this object is achieved by the following circuit measures:

a) Der Resonanzkreis besteht aus zwei gegensinnig in Serie geschalteten Kapazitätsdioden, deren gemeinsamer Anschlußpunkt die Eingangsklemme des Verstärkers darstellt, und einer zu den Kapazitätsdioden parallelgeschalteten Induktivität, die durch eine zumindest für die Pumpfrequenz an Masse liegende Mittelanzapfung in zwei Teilinduktivitäten unterteilt ist,a) The resonance circuit consists of two capacitance diodes connected in series in opposite directions common connection point represents the input terminal of the amplifier, and one to the inductance connected in parallel to the capacitance diodes, which is provided by a center tap in at least grounded for the pump frequency is divided into two partial inductances,

b) der Phasenmodulator umfaßt zwei Gleichrichterzweige, von denen jeder aus einer Halbleiterdiode, einem in Serie dazu liegenden Arbeitswiderstand und einem parallel zu dem Arbeitswiderstand liegenden Ladekondensator besteht, dessen Reaktanz bei der Pumpfrequenz vernachlässigbar klein gegenüber dem Ladewiderstand ist, wobei die Schaltung so aufgebaut ist, daß die beiden Dioden antiparallel, die beiden Kondensatoren und die beiden Widerstände jeweils in Reihe liegen,b) the phase modulator comprises two rectifier branches, each of which consists of a semiconductor diode and a series resistor and there is a charging capacitor lying parallel to the load resistor, the reactance of which is negligible at the pump frequency is small compared to the charging resistor, the circuit being constructed in such a way that the two diodes are anti-parallel, the two Capacitors and the two resistors are each in series,

c) die freien Enden der Halbleiterdioden sind galvanisch mit den Endklemmen der Induktivität des Resonanzkreises verbunden,c) the free ends of the semiconductor diodes are galvanic with the end terminals of the inductance connected to the resonance circuit,

d) die Pumpschwingung wird dem Resonanzkreis über eine mit dessen Induktivität gekoppelte Induktivität zugeführt und außerdem, um 90° phasenverschoben, an den Verbindungspunkt der Ladekondensatoren des Phasendemodulators geführt.d) the pump oscillation is coupled to the resonance circuit via a circuit with its inductance Inductance fed and also, out of phase by 90 °, to the connection point the charging capacitors of the phase demodulator out.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt In the drawing, a preferred embodiment of the invention is shown, namely shows

Fig. 1 ein Schaltschema zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise und,Fig. 1 is a circuit diagram to explain the basic working method and,

F i g. 2 ein Schaltschemä eines parametrischen Videoverstärkers gemäß der Erfindung.F i g. Figure 2 is a circuit diagram of a parametric video amplifier according to the invention.

F i g. 1 macht besonders die prinzipielle Wirkungsweise deutlich. Einem Resonanzkreis, der zwei gegensinnig in Serie geschaltete nichtlineare Kapazitäten in Form von Kapazitätsdioden D₁, D₂ und eine Induktivität L₁ umfaßt, wird von einer äußeren Pumpquelle Pumpleistung P₁ zugeführt, wobei der Resonanzkreis auf die Frequenz f_P der Pumpquelle abgestimmt ist. Die Kapazitätsdioden D₁, D₂ und die Induktivität L₁ bilden eine Brücke, wobei die Kapazitätsdioden D₁, D₂ die anliegenden Brückenzweige und die Teilinduktivitäten L₁' und L₂" die gegenüberliegenden Brückenzweige derselben Brücke bilden. Die Kapazitätsdioden D₁, D₂ stehen unter negativer Vorspannung durch Anlegen einer von einer Gleichstromquelle B stammenden Spannung zwischen der Eingangsklemme des Verstärkers und Masse. Die Pumpleistung wird in den Resonanzkreis mittels einer Kopplungsspule L₂ eingekoppelt. Der Eingangsklemme 1 des parametrischen Verstärkers wird die zu verstärkende Signalfrequenz /_s zugeführt. Die Signalfrequenz /_s ist klein gegenüber der Pumpfrequenz fp und bewirkt unter anderem eine Phasenmodulation von fp. F i g. 1 makes the principle mode of action particularly clear. _{Pump power P 1 is} supplied from an external pump source to a resonant circuit, which comprises two oppositely connected non-linear capacitances in the form of capacitance diodes D ₁ , D ₂ and an inductance L ₁ , the resonant circuit being tuned to the frequency f _{P of} the pump source. The capacitance diodes D ₁ , D ₂ and the inductance L ₁ form a bridge, the capacitance diodes D ₁ , D ₂ forming the adjacent bridge branches and the partial inductances L ₁ 'and L ₂ " forming the opposite bridge branches of the same bridge. The capacitance diodes D ₁ , D ₂ are under negative bias by applying a voltage from a direct current source B between the input terminal of the amplifier and ground. The pump power is _{coupled into the resonance circuit by means of a coupling coil L 2.} The input terminal 1 of the parametric amplifier is supplied _{with the signal frequency / s to be amplified.} The signal frequency / _s is small compared to the pump frequency fp and causes, among other things, a phase modulation of fp.

Der gemäß der Erfindung verwendete Phasendemodulator besteht aus zwei Gleichrichterzweigen mit den Halbleiterdioden D₃, D₄, den Arbeitswiderständen JR₁, R₂ und den Kondensatoren C₁, C₂. Die Pumpleistung P₂, welche gegenüber der in den Resonanzkreis eingekoppelten Pumpschwingung P₁ um 90° phasenverschoben ist, wird dem gemeinsamen Anschlußpunkt 5 der Kondensatoren C₁, C₂ zugeführt. Die unmodulierte Pumpschwingung am Anschlußpunkt 5 und die an den Anschlußpunkten 2 und 3 auftretende modulierte Pumpschwingung des Resonanzkreises werden überlagert und in den Halbleiterdioden D₃, D₄ gleichgerichtet.The phase demodulator used according to the invention consists of two rectifier branches with the semiconductor diodes D ₃ , D ₄ , the load resistors JR ₁ , R ₂ and the capacitors C ₁ , C ₂ . The pump power P ₂ , which is phase-shifted by 90 ° with respect to the pump oscillation P ₁ coupled into the resonance circuit, is fed to the common connection point 5 of the capacitors C ₁ , C _2. The unmodulated pumping oscillation at connection point 5 and the modulated pumping oscillation of the resonance circuit occurring at connection points 2 and 3 are superimposed and rectified in semiconductor diodes D ₃ , D ₄ .

Die Halbleiterdioden D₃, D₄ sind mit entgegengesetzter Polarität an die Induktivität L₁ angeschlossen; die gleichgerichteten Spannungen, die infolgedessen ebenfalls entgegengesetzte Polarität aufweisen, wie durch + U₀₃ und —U_Di angedeutet, werden durch die Arbeitswiderstände R₁ und R₂ addiert und erzeugen an der Ausgangsklemme 7 die Spannung U_D. Die Induktivität L₁ kann eine bifilare Wicklung aufweisen.The semiconductor diodes D ₃ , D ₄ are connected to the inductance L ₁ with opposite polarity; the rectified voltages, which consequently also have opposite polarity, as indicated by + U ₀₃ and -U _Di , are added by the load resistors R ₁ and R ₂ and generate the voltage U _D at the output terminal 7 . The inductance L ₁ can have a bifilar winding.

F i g. 2 zeigt ein Schaltschema eines parametrischen Videoverstärkers. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll eine Abstrahlung von Pumpleistung durch den Eingangskreis vermieden werden. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn die Pumpfrequenz in solche Frequenzbereiche fällt, die dem Rundfunk, dem Fernsehen oder allgemein der kommerziellen Nachrichtentechnik vorbehalten sind. Die Abstrahlung wird verhindert durch die Verwendung einer Brückenschaltung, wie sie oben beschrieben wurde. Die Teil-Induktivitäten L₁', L₁" und die Sperrschichtkapazitäten C_{D v} C₀ , müssen in folgender Beziehung zueinander stehen:F i g. Figure 2 shows a circuit diagram of a parametric video amplifier. In the preferred embodiment of the invention, radiation of pump power through the input circuit is to be avoided. This is especially necessary when the pump frequency falls in those frequency ranges that are reserved for radio, television or, in general, commercial communications engineering. The radiation is prevented by using a bridge circuit as described above. The partial inductances L ₁ ', L ₁ "and the junction capacitances C _{D v} C ₀ must be related to one another as follows:

L₁'L ₁ '

L₁" CdiL ₁ "Cdi

Bei Brückengleichgewicht tritt an der Eingangsklemme 1 keine Pumpschwingung auf. Aus praktischen Gründen ist die Verwendung von Diodenpaaren gleicher Sperrschichtkapazität erwünscht, die eine Mittelanzapfung der Induktivität L₁ erfordert. Die Mittelanzapfung liegt an Masse und bildet dadurch eine Gleichstromrückleitung für die Demodulatordioden D₃, D₄; eine zweite Gleichstromrückleitung für die Kapazitäten D₁, D₂ ist vorgesehen durch den Generatorwiderstand R₀ und die Vorspannungsquelle B. When the bridge is in equilibrium, there is no pump oscillation at input terminal 1. For practical reasons, it is desirable to use diode pairs with the same junction capacitance, which requires a center tap of the inductance L ₁ . The center tap is connected to ground and thereby forms a direct current return line for the demodulator diodes D ₃ , D ₄ ; a second direct current return line for the capacitances D ₁ , D ₂ is provided through the generator resistor R ₀ and the bias voltage source B.

Ein parametrischer Videoverstärker kann eineA parametric video amplifier can be a

ίο Pumpfrequenz von einigen hundert MHz erfordern. Bei diesen Pumpfrequenzen kann man einen guten Abgleich der Modulatorbrücke dadurch erhalten, daß man gemäß F i g. 2 den Pumpgenerator PG durch die Induktivität L₂ symmetrisch an den Resonanzkreis ankoppelt.ίο require a pump frequency of a few hundred MHz. At these pump frequencies, a good adjustment of the modulator bridge can be obtained in that according to FIG. 2 couples the pump generator PG symmetrically to the resonance circuit through the inductance L _2.

Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Pumpschwingungen P₁ und P₂ kann mit verschiedenen Mitteln erreicht werden. Für eine Pumpfrequenz im VHF-Bereich (30 bis 300 MHz) oder im UHF-Bereich (300 bis 3000 MHz) stellt die Verwendung einer Verzögerungsleitung V, deren Länge ein Viertel der Wellenlänge der Pumpschwingung ist, eine wirtschaftliche Lösung dar. Für Niederfrequenzverstärker mit relativ niedrigen Pumpfrequenzen würde eine solche Verzögerungsleitung von beträchtlicher Länge sein; daher erscheint in solchen Fällen die Verwendung eines konventionellen Phasenschiebers zweckmäßiger. The phase shift between the two pump oscillations P ₁ and P ₂ can be achieved by various means. For a pump frequency in the VHF range (30 to 300 MHz) or in the UHF range (300 to 3000 MHz), the use of a delay line V, the length of which is a quarter of the wavelength of the pump oscillation, is an economical solution. For low-frequency amplifiers with relatively at low pump frequencies, such a delay line would be of considerable length; therefore, the use of a conventional phase shifter appears to be more expedient in such cases.

Claims

Patent claims:

1. Circuit combination for amplifying low-frequency and video signals that on the one hand consists of a parametric up-mixer with only one resonance circuit Has controllable reactances, which is based on the frequency of an externally supplied pump oscillation is tuned, and in addition, the signal oscillation to be amplified, the frequency of which is significantly lower than that the pump oscillation, is coupled, on the other hand from a phase demodulator, which is also the pump oscillation is supplied, however, out of phase by 90 ° by combining the following switching measures:

a) the resonance circuit consists of two capacitance diodes (D ₁ , D ₂ ) connected in series in opposite directions, their common connection point

represents the input terminal (1) of the amplifier, and one to the capacitance diodes (D ₁ , D ₂ ) connected in parallel inductance (L ₁ ), which by at least one for the

Pumping frequency means lying on the ground

tapping is divided into two partial inductances (L ₁ ', L ₁ "),

b) the phase modulator comprises two rectifier branches, each of which consists of a semiconductor diode (D ₃ or D ₄ ), a series resistor (R ₁ or R ₂ ) and one parallel to the working resistor (R ₁ or R. ,) lying charging capacitor (C ₁ or C ₂ ) consists, its reactance

at the pump frequency is negligibly small compared to the charging resistance, where the circuit is constructed in such a way that the two

the diodes (D ₃ , D ₄ ) are antiparallel, the two capacitors (C ₁ , C ₂ ) and the two resistors (R ₁ , R ₂ ) are each in series,

c) the free ends of the semiconductor diodes (D ₃ , D ₄ ) are galvanically connected to the end terminals (2, 3) of the inductance (L ₁ ) of the resonance circuit,

d) the pump vibration is supplied to the resonance circuit via a coupled to the inductance (L ₁₎ inductance (L _2), and also phase shifted by 90 °, the load capacitors (C _1, C guided to the connection point (5) ₂₎ of the phase demodulator.

2. Circuit combination according to claim 1, characterized in that the inductance (L ₁ ) of the resonant circuit has a bifilar winding.

1 sheet of drawings