DE2363599A1

DE2363599A1 - Fm-demodulatorschaltung

Info

Publication number: DE2363599A1
Application number: DE2363599A
Authority: DE
Inventors: Kimitake Utsunomiya
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-12-21
Filing date: 1973-12-20
Publication date: 1974-06-27
Also published as: NL188258C; SE404572B; FR2211803B1; NL188258B; US4007426A; CA1017419A; NL7317640A; JPS5639565B2; GB1451385A; FR2211803A1; JPS4984774A; DE2363599B2; DE2363599C3; AU6385573A

Description

Die Erfindung betrifft eine FM—Demodulatorschaltung, die sich insbesondere -vorteilhaft für die Herstellung in integrierten

Schaltkreistechniken eignet.

Bei herkömmlichen FM-Demodulatorschaltungen, insbesondere für Videobandgeräte, wird im allgemeinen eine als Phasendetektor arbeitende Demodulatorschaltung ζ »Β. mit einem Impulszähler oder einer Verzögerungsleitung verwendet, um das Verhältnis der Frequenzabweichung zur Trägerfrequenz des frequenzmodulierten Signals im Vergleich zu anderen Systemen auf einem hohen Wert zu halten.

Bei der Demodulatorschaltung mit Impulszähler wird ein über eine Begrenzerschaltung in eine Rechteckwelle.umgewandeltes frequenzmoduliertes Signal differenziert, um ein Impulssignal mit einer von der Frequenz abhängenden Impulsdauer zu erhalten. Die Impulssignale gelangen über

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Mü/Bl/fa

eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung an ein durch ein Tiefpaßfilter gebildetes Integrierglied, an dem in Abhängigkeit von der !Frequenzabweichung ein Gleichstrom-Ausgangssignal abgegriffen wird.

Die Demodulatorschaltung mit Verzögerungsleitung dagegen weist zwei Signalwege auf, d.h. einen Direktweg und einen Verzögerungsweg mit einer Verzögerungsleitung. Das frequenzmodulierte Signal wird einem Mischer einmal über den Direktweg unmittelbar und zum andern über den Verzögerungsweg mit vorbestimmter Verzögerungszeit eingespeist. Das Ausgangsimpulssignal des Mischers kann somit mit einem vom Phasenunterschied zwischen den beiden Signalen abhängenden Tastverhältnis erhalten werden. Aus dem Ausgangsimpulssignal wird das Gleichstrcm-Ausgangssignal über die Integrierschaltung entsprechend dem jeweiligen Tastverhältnis erhalten.

Die vorstehend umrissenen Demodulatorschaltungen weisen jedoch die folgenden Mangel auf:

1. Die Differenzierschaltung beim Impulsζähler-Typ und die Verzögerungsleitung beim zuletzt erv/ähnten Demoduiatortyp besitzen relativ begrenzte Grenzfrequenzen, d.h. das Ansprechverhalten ist nur begrenzt linear, so daß das Ausgangssignal nicht als lineares Verhältnis über einen weiten Frequenzbereich hinweg erhalten werden kann.

2. Wenn eine Amplitudenänderung im frequenzmodulierten Signal auftritt, kann dadurch eine Fehlerspannung im Gleichstrom—Ausgangssignal entstehen.

3. Die Demodulatorschaltungen mit Differenzierschaltung bzw. Verzögerungsleitung eignen sich nicht ohne wei-

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teres für die Herstellung als integrierter Schaltkreis.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine über einen weiten Erequensbereich linear arbeitende EM-Demodula— torschaltung zu schaffen, die sich außerdem für die Fertigung als integrierter Schaltkreis eignet.

Diese Aufgabe wird bei einer EM-Demodulatorschaltung mit zwei Verstärkern, die jeweils mindestens eine Eingangs—, eine Ausgangs- und jeweils eine dem Ein- und Ausgangskreis gemeinsame Elektrode aufweisen, wobei die Eingangselektrode mindestens einer dieser Verstärker mit der Ausgangselektroäe des anderen Verstärkers verbunden ist, und mit einem zwischen die gemeinsamen Elektroden der beiden Verstärker eingeschalteten Kondensator erflndungs gemäß dadurch gelöst, daß ein Differential verstärker rait zwei Ausgängen und zv/ei Eingängen vorgesehen ist, und daß die beiden Ausgänge jeweils mit der gemeinsamen Elektrode der beiden Verstärker verbunden sind und ein frequenzmoduliertes Signal differentiell an die beiden Eingänge anlegbar ist.

Wie die folgende Beschreibung noch verdeutlicht, wird bei der erfindungsgemäßen !^!--Demodulatorschaltung ein Multivibrator in Emitterschaltung und ein mit dem Multivibrator in Tandemschaltung verbundener Differentialverstärker verwendet. Das frequenzmodulierte Signal wird an die Eingangs— klemme des DifferentialVerstärkers gelegt, um die Schwingfrequenz des Multivibrators durch Injektionssynchronisation 2u steuern. Auf diese Weise kann der Phasenunterschied zwischen der Signaifrequenz und der Schwingfrequenz an den Ausgängen des DifferentialVerstärkers festgestellt werden. Dieser Schaltungsaufbau eignet sich gut zur Auslegung als integrierter Schaltkreis.

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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung naher erläutert. Es zeigen:

Fig* 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines I'M-Demodulators mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Signalverlaufs an verschiedenen Stellen der Schaltung gemäß Fig. 1
und

Fig. 3 ein Schaltbild einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Multivibratorschaltung v/eist
zwei NPN-Transistoren 1 und 2 mit Basis, Kollektor und
Emitter auf. Die Basis des einen Transistors ist jeweils mit dem Kollektor des anderen verbunden. Die Emitter der Transistoren 1 und 2 sind an die gegenüberliegenden Seiten eines Kondensators 3 angeschlossen. Die Kollektoren
der Transistoren sind jeweils über die Parallelschaltung aus einem Widerstand 5 und einer Diode 4-, deren Kathoden an die Kollektoren angeschlossen sind, mit einer Gleichstromquelle für die Kollektorspannungen der Transistoren 1 und 2 verbunden.

Der gemeinsame Anschlußpunkt des Emitters des Transistors 1 und des Kondensators 3 ist mit dem Kollektor eines KPN-Transistors 6 verbunden, während der Anschlußpunkt am
Emitter des Transistors 2 mit dem Kondensator 3 an den
Kollektor eines NPN-Transistors 7 angeschlossen ist. Die Emitter der Transistoren 6 und 7 sind galvanisch verbunden und über eine Konstantstromquelle 9 an ein Bezugspotential, z.B. Masse, gelegt. Eine ein frequenzmoduliertes Signal liefernde Eingangssignalquelle 8 liegt zwischen

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den Basen der Transistoren 6 und 7> ^ eine differentielle Ansteuerung zu erreichen.

Vom Multivibrator führen zwei Ausgänge zu einer Zweiweg— Gleichrichterschaltung 10, die durch drei Transistoren 11, 12 und 1J gebildet ist. Die Emitter der Transistoren 1 und 2 des Multivibrators sind mit den Basen der Transistoren 11 bzw. 12 verbunden, während deren Kollektoren an die Gleichstromquelle +Tee angeschlossen sind. Der Kollektor des weiteren Transistors 13 ist einmal über einen Widerstand 18 an die Gleichstromquelle +Vcc und zum anderen an ein Tiefpaßfilter 16 angeschlossen. Seine Basis ist mit einer Klemme 14- verbunden, die mit einer Gleichstrom-Bezugs spannung beaufschlagt v/erden kann. Die Emitter der Transistoren 11, 12 und 13 sind verbunden und liegen über eine Konstantstromquelle 15 am Bezugspotential. An einer Ausgangsklemme 17 ci.es Tiefpaßfilters 16 läßt sich das demodulierte Gleichstrom—Ausgangssignal abgreifen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise dieser Schaltung anhand von Pig. 2 erläutert:

Wird an die Basen der Transistoren 6 und 7 ein frequenzmoduliertes Signal mit einer der Eigenfrequenz des Multivibrators entsprechenden Trägerfrequenz angelegt, so schaltet der Transistor 6 während einer Zeitspanne T,» anfänglich durch, während der Transistor 7 sperrt. Diesen Zustand zeigen die Fig. 2A und 2B. Wird dann der Transistor 1 des Multivibrators leitend, so fließt der Strom I^ von der Stromquelle +Vcc über die Diode 4-" und über die Kollektor-Emitterstrecken der Transistoren 1 und 6'zur Konstantstromquelle 9· Unter diesen Bedingungen werden die Transistoren 1 und 2 des Multivibrators nicht vom Durchschalt- in den Sperrzustand geschaltet.

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Als nächstes treibt dann im Zeitpunkt t^ das frequenzmodulierte Signal den Transistor 7 in den Durchschaltzustand, d.h. die Basis wird gegenüber dem Emitter positiv. Hierbei wird infolge der Differentialschaltung der Transistoren und 7 der Transistor 6 gleichzeitig gesperrt, so daß der Strom I2 während einer Zeitspanne T₂ ^{nur von der} Stromquelle +Vcc üb'er die Diode 4, die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 1, den Kondensator 3 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 7 zur Konstantstromquelle 9 fließt. Die Größe des Stroms I₂ ist - wie Fig. 2G verdeutlicht - gleich dem Stromwert 21 der Konstantstromquelle 9- Während der Zeitspanne T₂ wird der Kondensator 3 mit solcher Polarität aufgeladen, daß das Potential am Emitter des Transistors 2 allmählich verringert wird. Der Kondensator 3 wird aufgeladen, bis das Potential am Emitter des Transistors 2 den Viert (Vcc - 2Vbe) erreicht, worin Vcc die Spannung der Gleichstromquelle und Vbe die Basis-Emitterspannung eines Transistors bedeuten. Sobald das Potential am Emitter des Transistors 2 zum Zeitpunkt t₂ stärker negativ ist als das Potential (Vcc - 2Vbe), wird der Transistor 2 durchgeschaltet, während umgekehrt der Transistor 1 schnell in den Sperrzustand schaltet. Sodann steigt das Potential am Emitter des Transistors 1 gemäß Fig. 2C auf das Potential Vcc an, und die Spannung über dem aufgeladenen Kondensator 3 beträgt Vbe. Der Strom I₂ fließt nunmehr von der Stromquelle Vcc über die Diode 4-, die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 2 und die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 7 zur Konstantstromquelle 9. Während dieser Zeitspanne T, vom Zeitpunkt t₂ zum Zeitpunkt t-, wird der Ladestrom für den Kondensator 3 gleich Null (Fig. 2G).

Während einer Zeitspanne T^ im Anschluß an die Zeitspanne T;z treibt das frequenzmodulierte Signal den Transistor 6

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in den Durchschaltzustand und den Transistor 7 in den Sperrzustand, so daß der dem Stromwert 21 entsprechende Ladestrom Ip'- für den Kondensator 3 gemäß Fig. 2G gegenüber dem während der Zeitspanne Tp fließenden Strom Io in entgegengesetzter Richtung fließt. Daher fällt das Potential am Emitter des Transistors 1 infolge der steigenden Ladespan— nung am Kondensator 3 allmählich vom Potential Vcc ab. Zum · Zeitpunkt t^ erreicht das Potential am Emitter des Transistors 1 das Potential (Vcc — 2Vbe), und der Transistor 1 schaltet durch und sperrt den Transistor 2, so daß der Strom Iy, von der Stromquelle über die Diode 4-, die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 1 und die Kollektor» Emitterstrecke des Transistors 6 zur Konstantstrornquelle 9 fließt. Die Demodulatorschaltung steht nun wieder im Ausgangszustand und der Zyklus wiederholt sich.

Es sei nun eine wesentlich höhere Frequenz für das frequenzmodulierte Signal angenommen. Dann verkürzen sich die Zeitspannen zwischen dem Durchschalt- und dem Sperrzustand der Transistoren 6 und 7 gegenüber der normalen Periode, so daß die Ladedauer für den Kondensator 5 ebenfalls kurzer wird, wie dies in Fig. 2G für den einen, auf die Zeitspanne Tj, folgenden Zyklus dargestellt ist. Es ist somit ersichtlich, daß der Ladestrom für den Kondensator 3 jeweils nur in Abhängigkeit vom frequenzmodulierten Signal fließt.

Die über dem Kondensator 3 aufgebaute Spannung wird durch die Zweiweg-Gleichrichterschaltung 10 gleichgerichtet, und ergibt ein Ausgangssignal etwa gemäß Fig. 2H« Über das Tiefpaßfilter 16 wird dann an der Ausgangsklemme/das demodulierte Gleichstromsignal gewonnen.

Die vorstehend beschriebene Arbeitsweise trifft auch für den Fall zu, daß die Trägerfrequenz f des frequenzmodulier-

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ten Signals mit der Eigenfrequenz F des Multivibrators übereinstimmt. Wenn kein moduliertes Signal an die Transistoren 6 und 7 angelegt wird, ist der Phasenunterschied zwischen der Durchsehaltdauer der Transistoren 1 und 2 und derjenigen der Transistoren 6 und 7 gleich -90° _M Im allgemeinen werden bei der erfindungsgemäßen EM—Demodulatorschaltung die Durchschaltperioden der Transistoren durch das frequenzmodulierte Signal in einem Frequenzabweichungsbereich /0~2F 7 durch Injektionssynchronisation gesteuert.

Infolgedessen stehen die Phasenunterschiede zwischen den Durchschaltperioden der Transistoren 1 und 2 und einem frequenzmodulierten Signal in folgender Beziehung zueinander:

wenn f = 0, 0°
wenn f = F_Q, -90°
wenn f = 2F_Q, -180°.

Dies bedeutet, daß der Phasenunterschied linear auf die Frequenz f des frequenzmodulierten Signals bezogen ist, soweit die Frequenz f zwischen 0 und 2F variiert. Infolgedessen kann das demodulierte Signal als lineare Funktion der Frequenz über einen weiten Frequenzbereich hinweg durch Gleichrichtung der über dem Kondensator 3 stehenden Spannung erhalten werden.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 ist gegenüber derjenigen nach Fig. 2 dadurch abgewandelt$ daß die Dioden 4- und die Widerstände 5 weggelassen sind und die Ankopplung der Kollek~ toren der Transistoren Λ bzw. 2 an die Gleichstromquelle +Vcc über die Kollektor-Emitterstrecken von Transistoren

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20 bzw. 21 erfolgt, während Widerstände 22 und 23 zwischen den Kollektoren der Transistoren 1 und 2 liegen und ihr Verbindungspunkt über die Kollektor-Emitterstrecke eines weiteren Transistors 24 an die Gleichstromquelle +Vcc angeschlossen ist. Widerstände 25, 26 und 27 dienen zur Lieferung einer Vorspannung für die Transistoren 20, 21 und 24·. Die Basen der'Transistoren 20 und 21 sind an den Verbindungspunkt (A) der Widerstände 26 und 27 angeschlossen, und die Basis des Transistors 24 ist mit dem Verbindungspunkt (B) zwischen den Widerständen 25 und 26 verbunden.

Bei dieser Schaltungsanordnung wird die Spannung über den Lastwiderständen 22 und 23 durch die Spannung über den Widerstand 26 bestimmt, so daß die Größe (Amplitude) des Ausgangssignals unabhängig von einer Temperaturänderung ist.

Weiterhin sind bei dieser Ausführungsform die Basen der Transistoren 1 und 2 unter Bildung eines PN-Ühergangs über die Basis-Emitterstrecken der Transistoren 28 und 29 an die Kollektoren der Transistoren 2 bzw. 1 angekoppelt. Diese Transistoren 28 und 29 verhindern, daß die Transistoren 1 und 2 während ihres Durchschaltzustands in die Sättigung getrieben v/erden, so daß die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren 1 und 2 wesentlich verbessert wird.

Weiterhin kann die Schaltung gemäß Fig. 3 anstelle der Zweiweg-Gleichrichterschaltung eine Multiplikatorschaltung 30 als Ausgangskreis aufweisen. Die Multiplikatorschaltung multipliziert die Basispotentiale der Transistoren 1 und 2 mit denen der Transistoren 6 und 7_f so daß das demodulierte Signal am Ausgang dieser Schaltung in Abhängigkeit vom Phasenunterschied zwischen dem frequenzmodulierten Signal und dem Schwingungssignal abgegriffen werden kann.

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Claims

Patentansprüche

,1./ FM-Demodulatorschaltung mit zwei Verstärkern, die jeweils mindestens eine Eingangs-, eine Ausgangs- und jeweils eine dem Ein- und Ausgangskreis gemeinsame Elektrode aufweisen, wobei-die Eingangselektrode mindestens einer dieser Verstärker mit der Ausgangselektrode des anderen Verstärkers verbunden ist, und mit einem zwischen die gemeinsamen Elektroden der beiden Verstärker eingeschalteten Kondensator, dadurch gekennzeichnet , daß ein Differentialverstärker (6, 7) niit zwei Ausgängen (31, 32) und zwei Eingängen (33, 3²O vorgesehen ist, und daß die beiden Ausgänge (31, 32) jeweils mit der gemeinsamen Elektrode der beiden Verstärker (1, 2) verbunden sind und ein frequenzmoduliertes Signal differentiell an die beiden Eingänge (33, 3²O anlegbar ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß an die beiden Ausgänge (31, 32) eine Zweiweg-Gleichrichterschaltung (10) angeschlossen ist, die ein demoduliertes Signal an ein Tiefpaßfilter (16) abgibt.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Zweiweg-Gleichrichter— schaltung (10) aus drei emitterseitig verbundenen und an eine Konstantstromquelle (15) angeschlossenen Transistoren (11, 12, 13) besteht, von denen zwei (11, 12) kollektorseitig direkt an die Stromversorgung (+Vcc) und emitterseitig jeweils an einen der Ausgänge (31, 32) des Differentialverstärkers (6, 7) angeschlossen sind, während der dritte Transistor (13) kollektorseitig über

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einen Arbeitswiderstand (18) an der Stromversorgung (+Vcc) liegt und an seiner Basis durch eine Bezugsspannung beaufschlagbar ist, und daß das gleichgerichtete Ausgangssignal am Kollektor des dritten Transistors (13) abgreifbar ist.
4.' Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichne't , daß die Ausgangselektroden der Verstärker (1, 2) jeweils über eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (5) und einer Diode (4-) an eine Potentialquelle (Stromversorgung +Vcc) angeschlossen sind und daß die Diode (4-) in bezug auf die Potentialquelle in Durchlaßrichtung liegt.
5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden der Verstärker (1, 2) einmal jeweils über die Kollektor-Emitterstrecke eines ersten bzw. zweiten Transistors (20, 21) an eine Potentialquelle (Stromversorgung +Vcc) und zum andern über einen ersten bzw. einen zweiten Widerstand (22, 23) sowie über die Kollektor-Emitterstrecke eines dritten, gemeinsamen Transistors (24) an die Potentialquelle (+Vcc) angeschlossen sind, und daß die Basen des ersten, zweiten bzw» dritten Transistors (20, 21, 2J-Y) mit vorbestimmbaren Festpotentialen beaufschlagt sind (Fig. 3).
6. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingangselektroden der Verstärker (1, 2) über einen PN-tfbergang (28, 29) an die jeweils andere Ausgangselektrode des Verstärkers angeschlossen sind.
7. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung

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eines Phasenvergleich zwischen dem an den Eingangseiektroden des Verstärkers (1, 2) anliegenden Signal und dem frequenzmodulierten Signal eine Multiplikatorschaltung (30) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit vom Phasenunterschied zwischen diesen Signalen an einem Ausgang ein demoduliertes Ausgangssignal abgibt.

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