DE1911339A1 - Frequenzmodulierbarer Oszillator - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matchinen Getelltchaft mbH

Böblingen, den 21. Februar 1969 ker-sr

Anmelder: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin: Docket SA 968 044

Frequenzmodulierbarer Oszillator

Die Erfindung betrifft einen frequenzmodulierbaren Oszillator mit einem zwei wechselweise leitende Zweige aufweisenden elektronischen Schalter, dessen beide Zweige durch je einen Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps gebildet werden, deren beider Emitter gemeinsam mit einer strombegrenzenden konstanten Gleichstromquelle verbunden sind. Dieser Schalter wird zur Entladung eines sich periodisch aufladenden Kondensators nach der Art eines Multivibrators verwendet.

Bei manchen Anwendungen des Prinzips der Frequenzmodulation, z. B. bei der Fernsehsignalaufzeichnung, ist ein möglichst großer Frequenzhub bei guter Linearität erforderlich. Herkömmliche frequenzmodulierbare Oszillatoren, die dieser Forderung entsprechen, verwenden zwei getrennte LC-Oszillatoren, z. B. einen ersten mit 100 und einen zweiten mit 112 MHz, deren Ausgangs signale gemischt werden und eine Mittenfrequenz von 12 MHz ergeben. Bei solchen Oszillatoren mit zwei getrennten Einzeloszillatoren viel höherer Frequenz als der eigentlich zu erzeugenden Frequenz müssen die Probleme der hohen Einzelfrequenzen beherrscht werden. Die dabei erforderlichen Schaltmittel sind verständlicherweise sehr aufwendig.

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Zum anderen, ist die Frequenzmodulation durch Steuerung der Betriebsspannung eines Oszillators bekanntgeworden. Dazu sei auf Seite 1379 des "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik¹¹ von Meinke/Gundlach, Ausgabe 1968, hingewiesen. Im gleichen Werk wird auf der Seite 1380 auch die Frequenzmodulation eines Multivibrators durch Variation der Betriebsspannungen angegeben. Eine Schaltungsanordnung, die dieses Prinzip verwirklicht, wurde mit einem frequenzmodulierbaren Multivibrator in der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung P 17 62 487.2 genannt. Mit einer solchen, mehrere ringförmig hintereinander geschaltete Multivibrator stufen umfassenden Schaltungsanordnung lassen sich bereits mit verhältnismäßig einfachen Mitteln sehr gut lineare frequenzmodulierte Signale im Bereich von 10 MHz erzeugen.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, solche Signale bei guter Linearität mit noch einfacheren Mitteln zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch einen frequenzmodulierbaren Oszillator nach dem Multivibrator-Prinzip dadurch gelöst, daß ein eingangs erwähnter, zwei wechselweise leitende Zweige aufweisender elektronischer Schalter mit einer strombegrenzenden konstanten Gleichstromquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Gleichstromquelle einen Widerstand enthält, welcher den Emitterstrom der beiden verbundenen Transistoren unterhalb der Sättigung hält und so begrenzt, daß jeweils nur der eine oder der andere der beiden Transistoren in Abhängigkeit vom anliegenden Basispotential leiten kann, daß ein Kondensator vorgesehen ist, der von einer Modulations signalquelle gespeist wird, die eine Serienschaltung aus einer Gleichspannungsquelle und einer Wechselspannungsquelle enthält, wobei die Spitze-zu-Spitzenspannung der Wechselspannungsquelle kleiner ist als der Absolutwert der in Serie liegenden Gleichspannung, daß die Basis des ersten Transistors mit einer konstanten, den Leitzustand ermöglichenden Vorspannung und sein Kollektor mit dem Verbindungspunkt des Kondensators mit der Modulationssignalquelle verbunden sind, daß dieser Verbindungspunkt des weiteren zur Basis eines zu einem Schwellwert detektor gehörenden dritten Transistors mit zu den beiden Transistoren des elektronischen Schalters komplementärem

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Leitfähigkeitstyp führt, daß der Kollektor des dritten Transistors mit einer in gleicher Stromrichtung angeordneten Diode verbunden ist und deren beider Verbindungspunkt zur Basis des zweiten Transistors des elektronischen Schalters geführt ist, daß der Kollektor des zweiten Transistors und der Emitter des dritten Transistors mit mindestens einer festen Gleichspannung versorgt werden, daß die konstante Vorspannung des ersten Transistors innerhalb des sich bei öffnendem und schließendem dritten Transistor ergebendem Potentialschwankungsbereichs am Verbindungspunkt zwischen dem dritten Transistor und der Diode liegt und daß ferner der den verbundenen Emittern des ersten und zweiten Transistors abgekehrte Pol der konstanten Stromquelle, der dem Verbindungspunkt mit dem Kondensator abgekehrte Pol der Modulationssignalquelle, der Gegenpol des Kondensators und der dem Verbindungspunkt zvd-schen dem dritten Transistor und der Diode entgegengesetzte Pol der Diode zu einem gemeinsamen Bezugspotential führen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit ist dadurch gegeben, daß als Diode im Schwellwertdetektor eine Tunneldiode verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben« Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild der gewählten Schaltungsanordnung;

Fig. 2 eine Kennlinie, die zur Erklärung der Erfindung dient;

Fig. 3 eine Wellenform, die dem erzeugten Ausgangssignal entspricht.

Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält der erfindungsgemäße Oszillator einen unterhalb der Sättigungsgrenze arbeitenden Transistorschalter mit zwei wechselweise leitenden Zweigen 10 und 20, die mit einer konstanten Stromquelle 30 verbunden sind. Die Basis des Transistors 11 im Zweig 10 wird auf einem

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festen Potential Vl gehalten. Die Basis des Transistors 21 im Zweig 20 verändert sich mit dem Ladezustand eines Kondensators 60. Der Zweig 10 und eine Modulations signalquelle 50 sind mit dem Kondensator 60 verbunden, so daß, wenn der Zweig 10 gesperrt ist, die Modulations signalquelle 50 über ihren inneren Widerstand oder einen zusätzlich vorgesehenen Widerstand 53 den Kondensator 60 auflädt. Wenn die Kondensatorladung einen vorbestimmten Wert erreicht, dann wird mit Hilfe eines Schwellwertdetektors 40 der Transistor 21 gesperrt und dabei der Transistor 11 leitend. Wenn der Transistor 11 eingeschaltet ist, wird ein Entladekreis für den Kondensator 60 über den Zweig 10 und die konstante Stromquelle 30 freigegeben. Wenn die Ladung des Kondensators 60 genügend weit abgesunken ist, erhöht der Schwellwertdetektor 40 wiederum die Spannung an der Basis des Transistors 21 und macht diesen damit wieder leitend. Der Transistor 11 sperrt nun und der Aufladevorgang des Kondensators 60 wiederholt sich, bis der Schwellwertdetektor 40 eine neue Entladung über den Transistor 11 einleitet. Dieses Wechselspiel wiederholt sich fortlaufend.

Der erste Zweig 10 des elektronischen Schalters enthält einen npn-Transistor 11 mit einem Kollektor 12, einer Basis 13 und einem Emitter 14. Die Basis 13 ist mit einer Spannungsquelle 15 verbunden, im vorliegenden Falle mit einem Potentiometer 15, das mit einem Ende an einer Gleichspannung B+ und mit dem anderen Ende an Erde liegt. Der Abgriff des Potentiometers 15 ist mit der Basis 13 verbunden. Somit wird die Basis 13 auf einem festgelegten Potential Vl gegenüber dem Emitter 14 gehalten.

Der zweite Zweig 20 des elektronischen Schalters enthält ebenfalls einen npn-Transistor 21 mit einem Kollektor 22, der mit der Gleichspannung B+ verbunden ist, sowie mit einer Basis 23 und einem Emitter 24. Die beiden Emitter 14 und 24 sind direkt mit der konstanten Stromquelle 30 verbunden, die als relativ großer Widerstand 31 und Gleichspannungsquelle 32 dargestellt ist. Die beiden Emitter 14 und 24 sind mit dem einen Ende des Widerstandes 31 verbunden, dessen anderes Ende am negativen Pol der Gleich-

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-spannungsquelle 32 und diese wiederum mit ihrem Gegenpol an Erde liegt. Der Kondensator 60 liegt einerseits an Erde und ist mit seinem anderen Pol mit dem Kollektor 12 und mit dem Ausgang der Modulations signalquelle 50 verbunden. Diese Modulations signalquelle 50 enthält zur Abgabe des Modulationssignals eine Wechselspannungsquelle 52 und mit dieser in Reihe eine Gleichspannungsquelle 51. Der Gegenpol der Gleichspannungsquelle 51 ist geerdet. Die Spannung der Gleichspannungsquelle 51 ist größer als der Spitze-zu-Spitzenspannungswert der Wechselspannungsquelle 52, womit die Spannung und der Strom, die von der Modulations signalquelle 50 dem Kondensator 60 zugeführt werden, immer von der gleichen Polarität sind.

Der Punkt a, d.h. der Verbindungspunkt mit dem Kondensator 60, ist des weiteren mit dem Eingang des Schwellwertdetektors 40 verbunden. Dazu führt der Punkt a direkt zur Basis 44 eines pnp-Transistors 42, der einen Kollektor 43 und einen Emitter 45 aufweist. Der Emitter 45 ist über einen Widerstand 46 mit der Gleichspannungsquelle B+ verbunden. Der Kollektor 43 führt zum Punkt b, der seinerseits mit der Anode einer Diode 41, vorzugsweise einer Tunneldiode, verbunden ist, deren Kathode nach Erde führt.

Wenn der Kondensator 60 sich auflädt, nimmt der Emitter-Kollektorstrom über den Kollektor 43 und damit auch die Spannung am Widerstand 46 ab. Wenn dieser Strom einen kritischen Wert unterschreitet, der durch den Punkt D gemäß Fig. 2 gekennzeichnet ist, dann wechselt das Diodenpotential am Punkt b und an der Basis 23 zu einem Wert hin, der niedriger ist als das festgelegte Potential Vl der Basis 13. Dies kann durch einen sprunghaften Übergang der Diode 41 vom Punkt D zum Punkt A erklärt werden, was vorzugsweise eine Eigenschaft von Tunneldioden ist, wobei die Basis 2 3 auf einen Potentialwert unterhalb des festgelegten Potentials der Basis 13, nämlich des Potentials Vl.absinkt. Der Transistor 21 sperrt nun und der Transistor 11 wird leitend, wobei der Kondensator 60 schnell entladen wird.

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Fig. 2 gibt den Zusammenhang von Strom und Spannung an der Diode 41 wieder. Die Diodenspannung ist identisch mit dem Potential der Basis 2 3. Fig. 3 gibt das Ausgangs signal der Gesamtanordnung an den Klemmen 70 wieder.

Wenn der Transistor 11 nicht leitet, solange die Basis 2 3 noch ein höheres Potential hat als die Basis 13, dann liefert die Modulations signalquelle 50 einen Ladestrom für den Kondensator 60. Als Ergebnis der Aufladung des Kondensators 60 strebt die Basis 44 des Transistors 42 im Schwellwertdetektor 40 einem höheren Potential zu und das Potential am Punkt b, d. h. die Spannung an der Diode 41, sinkt ab. Die Kennlinie gemäß Fig. 2, die den Strom im Zusammenhang mit der Spannung wiedergibt, zeigt die Wirkung des Kondensators 60 auf die Diode 41 im Bereich zwischen den Stromwerten B-C und A-D. Nach der Aufladung des Kondensators 60 über den kritischen Wert erfolgt ein schnelles Rücklaufen der Diodenspannung vom Punkt D zum Punkt A. Dieser sprunghafte Übergang auf der Kennlinie leitet die Entladung des Kondensators 60 vom Punkt A ab ein, wie er in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 3 stellt die Wellenform des Ausgangs signals an den Ausgangsklemmen 70 dar, die der Spannung am Kondensator 60 entspricht. Wenn der Zustand der Diode 41 vom Punkt D zum Punkt A zurückläuft, dann, geht das Potential der Basis 23 unterhalb des Potentials Vl der Basis 13. Wie bereits erklärt wurde, ist vor diesem Übergang der Transistor 21 leitend und der Transistor 11 nichtleitend. Wenn dieses Umschalten abläuft, dann geht der Transistor 21 schnell vom nichtgesättigten leitenden Zustand in den nichtleitenden Zustand über. Gleichzeitig geht der Transistor 11 vom nichtleitenden Zustand in den nichtgesättigten leitenden Zustand über und der Kondensator 60 entlädt sich über den Transistor 11 und die konstante Stromquelle 30. Der gesamte Strom von der Modulations signalquelle 50, der durch deren inneren Widerstand oder zusätzlichen Widerstand 53 begrenzt wird, verläuft nun über den Transistor 11 und die konstante Stromquelle 30.

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Der Transistor 42 arbeitet als spannungsgesteuerter Strompfad. Während der Aufladeperiode des Kondensators 60 von C nach D nimmt der Strom über dem Transistor 42 ab, während sein Basispotential ansteigt. Umgekehrt nimmt der Transistorstrom durch den Transistor 42 zu während der Entladeperiode des Kondensators 60 von A bis B.

Während der Entladeperiode des Kondensators 60 geht die Diode 41 vom Punkt A wieder zum Punkt B auf der Kennlinie über, wobei eine Tendenz zunehmender Spannung besteht. Es ist zu erkennen, daß der Punkt B auf der Kennlinie immer noch unterhalb des festgelegten Potentials Vl der Basis 13 liegt. Deshalb wird am Punkt B der Transistor 11 immer noch leitend sein. Wenn die Diode 41 den Punkt B erreicht, hat ihre Spannung immer noch Zunahmetendenz; dabei erfolgt ein schneller Übergang vom Punkt B zum Punkt C auf der Kennlinie. Dieser Übergang bewirkt, daß die

Spannung an der Diode und somit das Potential der Basis 23 plötzlich das Potential der Basis 13 des Transistors 11 überschreiten. Dabei wird der nichtgesättigte Leitzustand des Transistors 11 in den Nichtleitzustand überführt und anstelle dessen sendet nun der Transistor 21 einen Strom über die konstante Stromquelle 30. Dabei beginnt eine neue Aufladung des Kondensators 60 von der Modulations signalquelle 50, bis die Spannung an der Diode 41 beim Erreichen des Punktes D wieder spontan abfällt. Während der Aufladung des Kondensators 60 gehen die Diode 41 und das Ausgangs signal entsprechend der gegebenen Wellenform (Fig. 3) vom Punkt C zum Punkt D über und dann erfolgt eine Wiederholung des beschriebenen Vorganges.

Es ist also zu ersehen, daß während der Aufladeperiode entsprechend dem Kurvenzug C bis D der Transistor 21 nichtgesättigt leitend ist und der Transistor 11 nichtleitend, wobei die Modulations signalquelle 50 den Kondensator 60 auflädt. Mit einer Variation der Wechselspannungskomponente 52 der Modulations signalquelle 50 ändert sich auch die Geschwindigkeit der Aufladung des Kondensators 60 und somit die Frequenz der in Fig. 3 dargestellten

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Wellenform. Während der Entladeperiode ist der Transistor 21 nichtleitend und der Transistor 11 nichtgesättigt leitend. Der Strom von der Modulationssignalquelle 50 und der Entlade strom des Kondensators 60 verlaufen über den Transistor 11 und die konstante Stromquelle

Bei der Verwendung der beiden Schalttransistoren 11 und 21 unterhalb ihrer Sättigungsgrenze wird eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht. Dies wird insbesondere dann begünstigt, wenn als Diode 41 auch eine Tunneldiode mit hoher Schaltgeschwindigkeit verwendet wird.

k Bei der Verwendung der beschriebenen Schaltungsanordnung als modulierbarer Oszillator können die Ausgangsklemmen 70 mit einem Frequenzteiler verbunden werden, z. B. mit einer bistabilen Schaltung, die die Frequenz halbiert. Dabei lassen sich auch die sägezahnförmigen Unsymmetrien der Wellenform gemäß Fig. 3 beseitigen. Es läßt sich damit ein Signal sehr hoher Frequenz im. Bereich von 1 bis 20 MHz bei einem linearen Frequenzhub von mindestens 2 MHz erzeugen.

Ein Dimensionierungsbeispiel sei im folgenden angegeben:

6 Volt Betriebs-Gleichspannung B+

2N709 Transistor 11

2N709 Transistor 21

200 mV Vl = Potential der Basis

2 kOhm Widerstand 31

20 Volt Gleichspannungsquelle

2N3640 Transistor 42

1N3713 Tunneldiode 41

20 Volt Gleichspannungsquelle

5 Volt (Sp./Sp.) Wechselspannungsquelle

20 kOhm Widerstand 53

30 pFarad

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30 pFarad ■ Kondensator

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Die Dimensionen des genannten Schaltungsbeispiels sind so gewählt, daß keiner der Transistoren gesättigt wird. Damit sind kurze Schaltzeiten zu erreichen.

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Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Frequenzmodulierbarer Oszillator mit einem zwei wechselweise leitende Zweige aufweisendem, elektronischen Schalter, dessen beide Zweige durch je einen Transistor gleichen Leitfähigkeitstyps gebildet werden, deren beider Emitter gemeinsam mit einer strom.begrenzenden konstanten Gleichstromquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die konstante Gleichstromquelle (30) einen Widerstand (31) enthält, welcher den Emitterstrom der beiden verbundenen Transistoren (11, 21) unterhalb der Sättigung hält und so begrenzt, daß jeweils nur der eine (11) oder der andere (21) der beiden Transistoren (11, 21) in Abhängigkeit vom anliegenden Basispotential leiten kann, daß ein Kondensator (60) vorgesehen ist, der von einer Modulationssignalquelle (50) gespeist wird, die eine Serienschaltung aus einer Gleichspannungsquelle (51) und einer Wechselspannungsquelle (52) enthält, wobei die Spitze-zu-Spitzenspannung der Wechselspannungsquelle (52) kleiner ist als der Absolutwert der in Serie liegenden Gleichspannung, daß die Basis (13) des ersten Transistors (11) mit einer konstanten, den Leitzustand ermöglichenden Vorspannung (Vl) und sein Kollektor. (12) mit dem Verbindungspunkt (a) des Kondensators (60) mit der Modulations signalquelle (50) verbunden sind, daß dieser Verbindungspunkt (a) des weiteren zur Basis (44) eines zu einem Schwell we rtdetektor (40) gehörenden dritten Transistors (42) mit zu den beiden Transistoren (11, 21) des elektronischen Schalters komplementärem Leitfähigkeitstyp führt, daß der Kollektor (43) des dritten Transistors (42) mit einer in gleicher Stromrichtung angeordneten Diode (41) verbunden ist und deren beider Verbindungspunkt (b) zur Basis (23) des zweiten Transistors (21) des elektronischen Schalters geführt ist, daß der Kollektor (22) des zweiten Transistors (21) und der Emitter (45) des dritten Transistors (42) mit mindestens einer festen Gleichspannung (B+) versorgt werden, daß die konstante Vorspannung (Vl) de· ersten Transistors (11) innerhalb

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   des sich bei öffnendem und schließendem dritten Transistor (42) ergebendem Potentialschwankungsbereichs am Verbindungspunkt (b)
   zwischen dem dritten Transistor (42) und der Diode (41) liegt und daß ferner der den verbundenen Emittern (14, 24) des ersten und zweiten Transistors (11, 21) abgekehrte Pol der konstanten Stromquelle (30), der dem Verbindungspunkt (a) mit dem Kondensator (60) abgekehrte Pol der Modulations signalquelle (50), der Gegenpol des Kondensators (60) und der dem Verbindungspunkt (b) zwischen dem dritten Transistor (42) und der Diode (41) entgegengesetzte Pol der Diode (41) zu
   einem gemeinsamen Bezugs potential (Erde, Masse) führen.
2. 2. Frequenzmodulierbarer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Diode (41) im Schwellwertdetektor (40) eine Tunneldiode verwendet wird.

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