DE1466402B2

DE1466402B2 - CIRCUIT COMBINATION CONSISTS OF A PARAMETRIC UP MIXER AND A PHASE END DEMODULATOR

Info

Publication number: DE1466402B2
Application number: DE19631466402
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Schmid, Konrad, Göteborg (Schweden)
Priority date: 1962-05-15
Filing date: 1963-05-11
Publication date: 1971-09-16
Also published as: GB1047702A; CH403868A; DE1466402A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungskonibination 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 the amplification of low-frequency and video signals, which on the one hand consist of a parametric There is an up-converter that has only one resonance circuit with controllable reactances, which is matched to the frequency of an externally supplied pump oscillation, and in addition the signal oscillation to be amplified, the frequency of which is significantly lower than that of the Pump oscillation, is coupled, on the other hand from a phase demodulator, which is also the Pump oscillation, but out of phase by 90 °, is supplied.

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 wesentliches Element enthält der parametrische Verstärker eine steuerbare Reaktanz, deren Aufgabe es ist, 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. The parametric amplifier is an essential element a controllable reactance, the task of which is to use the supplied pump power for signal amplification to use. This is why this type of amplifier is often called a reactance amplifier. As a controllable Reactance comes primarily from a semiconductor diode with bias voltage (often also »capacitance diode« or Called "varactor diode") into consideration; in the following it is referred to as 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. It causes a change in the voltage applied to the diode a corresponding change in junction capacitance. Since there is no transport of load carriers takes place through the barrier layer, the shot noise associated with the charge transport is eliminated. In the ideal case of a lossless reactance, the remaining noise is only caused by the ohmic loss resistances present in the circles. This explains the low self-noise The parametric amplifier, which is to be regarded as the main advantage of this type of amplifier is.

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 gesteuerten 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.There are known parametric amplifiers with capacitance diodes which are particularly suitable for amplifying low-frequency signals and whose circuit consists of a 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 demodulator. The signal oscillation applied to one bridge diagonal generates a proportional pump oscillation with a defined phase position in the other bridge diagonal. The pump oscillation is amplified and rectified with the correct phase in the controlled demodulator. Such amplifiers can contain a plurality of circuits which substantially limit the signal bandwidth that can be achieved in practice. Furthermore, the noise of such amplifiers is dependent on the balancing of the modulator bridge, since these amplifiers basically respond to the amplitude fluctuations of the pump oscillation and, in particular, compensation of the amplitude noise is only possible with perfect bridge balancing. Difficulties arise with such amplifiers if one wants to use the amplifiers to amplify broadband signals (video signals), on the one hand, because they contain a plurality of band-limiting circuits and, on the other hand, because the modulator bridge is adjusted for the amplification of video signals required pump frequencies of a few hundred MHz is difficult to control. In particular, at high pump frequencies, an undesired coupling of the pump oscillation into the side frequency amplifier caused by stray capacitances cannot be avoided. This stray coupling significantly affects the noise characteristics of such amplifiers and also causes 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 Verstärker für 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 the side frequencies whose essential properties are not 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 that has a 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 Induk-. tivität, 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 Induc- connected in parallel to the capacitance diodes. activity by at least one for the pumping frequency central tap connected to ground 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"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

-. jeweils in Reihe liegen,-. are each in a row,

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

3030th

Fig. 1 ein Schaltschema zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise undFig. 1 is a circuit diagram to explain the principle of operation and

F i g. 2 ein Schaltschema 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 PUmPIeIStUUgP₁ 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 Sie 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 L₉ 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. _{PUmPIeIStUUgP 1 is} fed from an external pump source to a resonance 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 resonance 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, with 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 9.} 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 R₁, 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 Anschlußpunkts der KondensatorenC₁, C, 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 R 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 of the capacitors C 1, C.} 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_Oi angedeutet, werden durch die Arbeitswiderstände R₁ und R₂ addiert und erzeugen an der Ausgangsklemme 7 die Spannung U₀. 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 _Oi , are added by the load resistors R ₁ and R ₂ and generate the voltage U ₀ at the output terminal 7 . The inductance L ₁ can have a bifilar winding.

Fig. 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_{0 v} C₀₂ müssen in folgender Beziehung zueinander stehen:Fig. 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 _{0 v} C ₀₂ must be related to one another as follows:

L₁" Cd₁ 6g L ₁ " Cd ₁ 6g

Bei Brückengleichgewicht tritt an der Eingaiißsklemme 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, D₉ ist vorgesehen durch den Generatorwiderstand R₀ und die Vorspannungsquelle B. When the bridge is in equilibrium, no pumping oscillation occurs 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 ₉ 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.

3535

4040

4545

5555

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 pumping oscillation, however, is fed out of phase by 90 °, characterized by the combination of the following Switching measures:

a) the resonance circuit consists of two capacitance diodes (D ₁ , D ₂ ) connected in series in opposite directions, the common connection point of which is the input terminal (1) of the amplifier, and an inductance (L ₁ ) connected in _{parallel to the capacitance diodes (D 1} , D ₉₎ _{, which is divided into two partial inductances (L 1} ', L ₁ ") by a center tap which is at least grounded for the pump frequency,

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 ₉ ) and one parallel to the working resistor (R ₁ or R ₂ ) lying charging capacitor (C ₁ or C ₉ ) ", whose reactance at the pump frequency is negligibly small compared to the charging resistor, the circuit being 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) pumping the oscillation is supplied to the resonant circuit with the inductance thereof a (L ₁₎ coupled inductance (L _2), and also phase shifted by 90 °, to the connection point (5) of the load capacitors (C _1,
guided.

C 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