DE1466402C - Schaltungskombination, bestehend aus einem parametnschen Aufwartsmischer und einem Phasendemodulator - Google Patents

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.

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.

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.

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.

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.

Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, eine Schaltung zu realisieren, die eine parametrische Verstärkung von Niederfrequenz- und Videosignalen mit einfachsten Mitteln ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Schaltungskombination durch folgende Schaltungsmaßnahmen gelöst:

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,

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,

c) die freien Enden der Halbleiterdioden sind galvanisch mit den Endklemmen der Induktivität des Resonanzkreises verbunden,

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.

In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 ein Schaltschema zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise und,

F i g. 2 ein Schaltschemä eines parametrischen Videoverstärkers gemäß der Erfindung.

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.

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.

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.

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:

L₁'

L₁" 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.

Ein parametrischer Videoverstärker kann eine

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.

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.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. 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, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Schaltungsmaßnahmen:

a) der Resonanzkreis besteht aus zwei gegensinnig in Serie geschalteten Kapazitätsdioden (D₁, D₂), deren gemeinsamer Anschlußpunkt

die Eingangsklemme (1) des Verstärkers darstellt, und einer zu den Kapazitätsdioden (D₁, D₂) parallelgeschalteten Induktivität (L₁), die durch eine zumindest für die

Pumpfrequenz an Masse liegende Mittel

anzapfung in zwei Teil-Induktivitäten (L₁', L₁") unterteilt ist,

b) der Phasenmodulator umfaßt zwei Gleichrichterzweige, von denen jeder aus einer Halbleiterdiode (D₃ bzw. D₄), einem in Serie dazu liegenden Arbeitswiderstand (R₁ bzw. R₂) und einem parallel zu dem Arbeitswiderstand (R₁ bzw. R.,) liegenden Ladekondensator (C₁ bzw. C₂) besteht, dessen Reaktanz

bei der Pumpfrequenz vernachlässigbar klein gegenüber dem Ladewiderstand ist, wobei die Schaltung so aufgebaut ist, daß die bei-

den Dioden (D₃, D₄) antiparallel, die beiden Kondensatoren (C₁, C₂) und die beiden Widerstände (R₁, R₂) jeweils in Reihe liegen,

c) die freien Enden der Halbleiterdioden (D₃, D₄) sind galvanisch mit den Endklemmen (2, 3) der Induktivität (L₁) des Resonanzkreises verbunden,

d) die Pumpschwingung wird dem Resonanzkreis über eine mit dessen Induktivität (L₁) gekoppelte Induktivität (L₂) zugeführt und außerdem, um 90° phasenverschoben, an den Verbindungspunkt (5) der Ladekondensatoren (C₁, C₂) des Phasendemodulators geführt.

2. Schaltungskombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L₁) des Resonanzkreises eine bifilare Wicklung aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen