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FM ZF Begrenzer

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Papers » Basic principles of radio technique » FM ZF Begrenzer
           
Dietmar Rudolph
Dietmar Rudolph
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26.Apr.19 09:54
 
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Zur Demodulation eines frequenzmodulierten Signals (FM Schwingung) werden "Diskriminatoren" verwendet, die HF bzw. ZF Spannungen mit (leicht) unterschiedlicher Frequenz in NF Spannungen mit entsprechend unterschiedlichen Amplituden wandeln.

  • Ein idealer "FM => NF Demodulator" (Diskriminator) würde ein demoduliertes FM Signal liefern, das unabhängig ist von der Amplitude der FM Schwingung (auf der ZF) und welches nur von der Frequenzänderung des FM Signals abhängt.  
  • Ein realer FM => NF Demodulator reagiert (leider) auch (mehr oder weniger stark, je nach Typ) auf Amplitudenschwankungen der hochfrequenten FM Schwingung.

Da diese Schwankungen der Amplitude des hochfrequenten FM Signals durch unerwünschte Effekte im Übertragungsweg (z. B. Mehrwege-Ausbreitung und "Echos", Bandbegrenzung und Laufzeitschwankungen im ZF Filter des Empfängers, Impuls-Störungen durch "Zündfunken" und ähnliches mehr) entstehen, müssen sie im ZF Teil des FM Empfängers (möglichst) vollständig eliminiert werden, damit die FM Schwingung störungsfrei demoduliert werden kann. 

Die FM ZF Verstärker der "normalen" Radios (mit Ausnahme ganz früher Modelle) sind daher als Amplituden-Begrenzer-Verstärker ausgeführt.

In diesem Thread  soll eine Übersicht über die hierbei verwendete Schaltungstechnik gegeben werden.

Typ "Audion" Begrenzer

Begrenzer dieses Typs findet man bei Schaltungen mit Röhren am häufigsten.

Das Audion

Vorneab etwas zum "normalen" Audion, um den Unterschied zum Amplitudenbegrenzer zu verdeutlichen. Wenn sich ein Audion als Amplituden-Begrenzer eignen soll, darf es keine Rückkopplung haben. Man muß also auf ganz frühe Audion-Schaltungen zurückgreifen, die noch ohne Rückkopplung waren. In [1] findet man Beispiele zu diesem Typ Audion, Schaltbild 12.

In Abb. 399 [2] ist die Funktionsweise des (nicht rückgekoppelten) Audions erklärt. Der Kondensator CT mittelt die HF Schwingung aus, so daß nur noch die gestrichelt gezeichnete NF Schwingung zum Kopfhörer (Telephon) T gelangt. 

Uns interessiert hier aber (nur) die HF Schwingung. Wie man sieht, ist sie "oben" bereits sehr schön begrenzt. Es fehlt "nur" noch die Begrenzung unten. Und die untere Begrenzung erhält man eigentlich sofort, wenn nur die Amplitude der angelegten HF Schwingung genügend groß gewählt wird.

Penthoden-Begrenzer

Diese Begrenzer-Schaltung [2] sieht (prinzipiell) genau so aus, wie ein Audion ohne Rückkopplung. Abb 420.

Weil nun aber die Amplitude der zugeführten HF Spannung genügend groß gewählt wurde, ergibt sich nun "oben" und "unten" eine Begrenzung der Amplitude, Abb. 421.

Wie bei der AM Demodulation beim Audion, muß auch beim Amplituden-Begrenzer die Zeitkonstante T = RC richtig gewählt werden, damit die Schaltung funktioniert. Die Zeitkonstante T darf offensichtlich nicht zu groß gewählt werden, Abb 421a.

Die"Länge" der Kennlinie

 

Aus Bild 3 ist zu erkennen, daß sich mit Hilfe der Schirmgitterspannung die "Länge" der Arbeitskennlinie einer Penthode einstellen läßt.[3]

Soll also bereits für HF Spannungen kleiner Amplitude eine (beidseitige) Begrenzung stattfinden, muß die Schirmgitterspannung Ug2 entspreched niedrig sein.

Daher werden Amplituden-Begrenzer-Stufen i.a. mit sehr kleinen Schirmgitterspannungen betrieben.

 

Bei der Siemens Kammermusik-Schatulle M57 wird dagegen die Schirmgitterspannung der Begrenzerstufe entsprechend der Größe der Empfangsspannung nachgeregelt. (Näheres bei: Begrenzer-Automatik)

 

 

 

Zur Wahl der Zeitkonstanten

In Abb 421a ist zu sehen, daß die Zeitkonstante T = RC nicht "zu groß" gewählt werden darf. Es ist das eine ähnliche Fragestellung wie beim Audion bzw. beim Hüllkurven-Demodulator.

Figure 5.22 zeigt die Auswirkung der Größe der Zeitkonstanten T = RC bei einem Hüllkurven-Detektor [4]. Beim Hüllkurven-Demodulator will man die Hüllkurve möglichst genau haben. Deshalb ist hierfür die Dimensionierung (c) richtig.

Beim Begrenzer-Verstärker will man aber gerade die Hüllkurve unterdrücken. Deshalb ist dafür eine möglichst kleine Zeitkonstante T = RC (theoretisch: RC => 0) genau richtig - entsprechend zum Fall (e).

Zeitkonstante und Grenzfrequenz

  • T = R\cdot C \leadsto \omega_g =1/(RC) $ \leadsto f_g = 1/(2\pi RC)

Typische ZF Begrenzer-Stufe

Fig 6-11 [5] zeigt eine typische ZF Begrenzer-Stufe.

Am Steuergitter g1 liegt eine RC-Kombination, mit der die Zeitkonstante T festgelegt wird, entsprechend zu Abb. 420 (rechts).

Das Schirmgitter g2 hat einen Vorwiderstand, der dafür sorgt, daß die Spannung Ug2 entsprechend niedrig ist, um eine "kurze" Kennlinie zu realisieren.

Zur Impedanz des RC Gliedes

Für einen Begrenzer ist die Zeitkonstante T => 0 anzustreben. D.h. also, R möglichst klein und C möglichst klein. Aber wo sind die Grenzen?

Die (untere) Grenze für den Wert des Widerstandes R ergibt sich daraus, daß bei dem Typ "Audion"-Begrenzer immer ein Gitterstrom entsteht. Und der ist um so größer, je kleiner der Gitter-Widerstand R gewählt wird. Fig 15 und Fig 16 [6] zeigen die entsprechenden Verhältnisse auf.

Würde ein hoher Wert für den Gitter-Widerstand gewählt, Fig. 15, so müßte ein verschwindend kleiner Wert für die Kapazität C gewählt werden (C => 0). Aber hier gibt es praktisch eine untere Grenze infolge der Schaltungs-Kapazitäten, deren Einfluß umso größer wird, je kleiner C ist. 

In einer praktischen Schaltungsdimensionierung muß daher stets ein entsprechender Kompromiß gefunden werden.

Beispiele realisierter Empfänger

Exemplarisch werden i.w. Beispiele von solchen Geräten gewählt, die einen separaten FM ZF Verstärker haben. Dies ist der Übersichtlichkeit geschuldet.

Als erstes Beispiel ein Schaltungsausschnitt des Pilot T601 Tuners aus dem Jahre 1947. 

Markiert sind die beiden "Audion"-Kombinationen gemäß Fig. 6.11.

Bei diesem frühen Gerät wurden die Zeitkonstanten noch recht groß gewählt, was zu entsprechend kleinen Grenzfrequenzen führt. Rein statisch gesehen funktioniert das schon.

Aber beim praktischen Empfang ergeben sich häufig Verhältnisse, wie sie in Abb. 421a dargestellt sind oder, bezogen auf die Situation bei einem Audion, wäre das ein "diagonales Clippen", wie es in Figure 5.22 (d) gezeigt ist. 

Die Schirmgitterspannung ist aufgrund des Vorwiderstandes von 1 kΩ noch recht hoch gewählt, während die Anodenspannung aufgrund des Vorwiderstandes von 470 kΩ dann niedrig wird. Allerdings steht diese Dimensionierung im Widerspruch zu der Festlegung der "Länge" der Arbeitskennlinie nach Bild 3.

Der Pilot-Tuner T601 ist also ein Beispiel für eine ungünstige Dimensionierung eines 10,7 MHz Begrenzer-Verstärkers.

Das zweite Beispiel ist das Nord-Mende UKW Vorsatzgerät UKW-V5 aus dem Jahre 1950/51.

Hier sind die Zeitkonstanten gleich groß, aber verglichen mit späteren Geräten, immer noch zu groß, um Störungen durch Mehrwege-Empfang eliminieren zu können.

Die Schirmgitterspannung der 2. Begrenzerstufe ist mit 50V reduziert, so daß sich entsprechend zu Bild 3 eine kurze Arbeitskennlinie für diese Begrenzerstufe ergibt.

 

Das dritte Beispiel ist der Realistic Realist FM36-888C von 1955.

Die Zeitkonstanten sind hier bereits deutlich kleiner gewählt, was dem "Ideal" schon sehr nahe kommt.

Daß die Schirmgitterspannungen der Begrenzerstufen nicht durch Vorwiderstände extra reduziert sind, wird verständlich, wenn man bedenkt, daß Geräte in USA häufig mit Anodenspannungen von ca. 100 V betrieben werden.

 

Das vierte Beispiel ist der Grundig RT50, der einen (von AM) getrennten ZF Verstärker für UKW FM hat. Das Gerät stammt aus den Jahren 1963 - 65.

Bei diesem Gerät gibt es 3 Begrenzer-Stufen. Die 2. und die 3. Begrenzerstufe haben eine deutlich reduzierte Schirmgitterspannung, wie aus den Werten der Vorwiderstände erkennbar wird.

Insbesondere die Zeitkonstante der 2. Begrenzerstufe ist sehr klein gewählt, was der Unterdrückung von Impuls-Störungen zugute kommt.

Die bei Begrenzung gewonnene Gitter-Vorspannung der 3. Begrenzerstufe (EF80 III) steuert die Bremsgitterspannung der 2. Begrenzerstufe (EF80 II). Zusätzlich steuert die Gitter-Vorspannung der 2. Begrenzerstufe (EF80 II) die Bremsgitterspannung der 1. Begrenzerstufe (EF80 I). Es sind dies Varianten zur Steuerung der "Länge" der Kennlinien der Begrenzerstufen in Abhängigkeit von der Größe des Empfangssignals.

Alle drei Begrenzerstufen mit der EF80 haben zusätzlich nicht überbrückte Kathoden-Widerstände, die dafür sorgen, daß auch bei den schnellen Änderungen des Anodenstroms (beim Begrenzen) die Stufen ihre Eingangs-Kapazitäten praktisch nicht ändern und somit keine Verstimmung der betroffenen Schwingkreise resultiert. Dieser Effekt wurde im Zusammenhang mit der EAF801 dargelegt.

 

Als fünftes Beispiel wird noch auf die Celerina 61000 aus dem Jahr 1962 verwiesen. Siehe dort auch Post #14. Die letzte Begrenzerstufe mit der EF80 vor dem Riegger-Detektor hat als Zeitkonstante T = 4,5μsec, was einer Grenzfrequenz von fg = 35,5 kHz entspricht. Bei diesem Gerät wird das Magische Auge mit Hilfe der in der Begrenzerstufe erzeugten negativen Gitterspannung gesteuert. Eine unmittelbare Ansteuerung mit dieser (sich rasch ändernden) Spannung führte zum Flackern der Anzeige des Magischen Auges. Erst nachdem in die Leitung zum Magischen Auge noch ein RC-Tiefpaß (1MΩ / 47 nF) eingefügt wurde, war die Anzeige "ruhig". 

 

Andere Begrenzer-Typen

Da die Amplitudenbegrenzer in manchen Anwendungen schaltungsmäßig eng mit den FM Demodulatoren verkoppelt sind, findet man in "FM-Demodulation: weniger bekannte Verfahren" zahlreiche Beispiele auch zur Amplitudenbegrenzung.

6BN6 als Begrenzer

Als Beispiel ist hier insbesondere der Amplitudenbegrenzer mit der Röhre 6BN6 zu nennen. Eine Schaltung der 6BN6 als Amplitudenbegrenzer ist in "6BN6, eine gated Beamtube"  gezeigt. Die 6BN6 ist in dieser Schaltung als V8 zwischen zwei Stufen mit der EF94 gezeigt. Die 6BN6 hat keine "Audion-Kombination" vor ihrem Steuergitter, welches bezogen auf Masse eine negative Vorspannung hat. Daher fließt - anders als bei Begrenzerstufen des Typs "Audion" - hier kein Gitterstrom. Die "Zeitkonstante" der 6BN6 ist demzufolge sehr sehr klein und ihre "Grenzfrequenz" entsprechend hoch.

Häufig wird die 6BN6 in kleineren Empfängern allerdings als kombinierter Begrenzer / FM Demodulator verwendet.

Lock-in Oszillator

Der Lock-in Oszillator wird mit der empfangenen FM Schwingung synchronisiert. Da die Amplitude eines Oszillators bei geringer Frequenzvariation - wie sie bei FM vorkommt - praktisch konstant bleibt, eignet sich folglich ein Lock-in Oszillator hervorragend um ein FM Signal mit "idealer" Amplitudenbegrenzung zu erzeugen.

Dieser Ausschnitt aus dem Schaltbild des Körting Royal Syntektor 55W zeigt  das H-System der ECH81 als Typ "Audion"-Begrenzer und das C-System als Lock-in-Oszillator. Beschreibungen des AM Teils und des FM-Teils des Syntektor 55W hat Herr Freudenberg verfaßt.

Differenzverstärker

Der Differeenzverstärker als Amplitudenbegrenzer [2] hat nur oberflächlich betrachtet eine "Audion-Kombination" vor dem Gitter der ersten Triode. Tatsächlich wird durch den (gemeinsamen) Widerstand Rk das Potential beider Kathoden hoch gehoben, so daß beide Trioden im A-Betrieb arbeiten - solange keine  Ansteuerung erfolgt.

I.a. wird der Wert für Rk groß gewählt, so daß durch ihn fast ein konstanter Strom fließt, unabhängig von der Ansteuerung der ersten Triode.

Wird die Eingangsspannung positiver, so übernimmt die erste Triode mehr Strom, der dann für die 2. Triode "fehlt". Bei negativer Eingangsspannung erhält die 2. Triode mehr Strom. Wird die Amplitude der angelegten Spannung nur genügend groß gewählt, werden abwechselnd die erste und die zweite Triode völlig gesperrt. Man hat dann das Verhalten als Amplituden-Begrenzer - ohne daß hier ein Gitterstrom fließt. Die Schaltung mit Differenzverstärker ist aufwändiger als ein Begrenzer vom Typ "Audion", weshalb er (als Röhrenschaltung) nur für kommerzielle Empfänger in Frage kommt.

Begrenzerverstärker in Halbleitertechnik

Begrenzung mit Basis-Emitter-Diode

Ein typisches Beispiel eines solchen Amplituden-Begrenzers zeigt nebenstehendes Schaltbild. [7]

Es gibt dabei 2 Zeitkonstanten:
BasisTb oder Emitter Te

T_b = (R_1||R_2)\cdot C_2 \quad \& \quad T_e = R_E \cdot C_E

Man wählt eine davon groß und die andere so klein, daß sie die wesentliche Zeitkonstante wird. Anders als in Röhren-Technik, wo es auf die Zeitkonstante am Gitter ankommt, hat man in Transistor-Technik hier 2 Möglichkeiten zur Auswahl.

Im Kollektor ist in der Regel ein Widerstand R eingefügt, der zwar keinen Einfluß auf die Zeitkonstanten hat, aber die spannungsabhängige Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors von der Schwingkreis-Kapazität trennt.

Der Widerstand Rdc reduziert die Kollektor-Spannung, so daß die Stufe leichter in die Begrenzung kommt.

Differenz-Verstärker

Während der Differenz-Verstärker in Röhren-Technik bei Radios (praktisch) keine Rolle spielt, kommt er in Halbleiter-Technik sehr häufig zum Einsatz, speziell dann auch als Bestandteil von Integrierten Schaltungen.

Abb. 4.54 zeigt Schaltungen von Differenz-Verstärkern. Typisch sind die beiden Transistoren, die ihren Strom über eine Strom-Quelle (Strom I0) erhalten.[8] 

Bei Ansteuerung übernimmt der Transistor mit der um ca. 5UT (~ 125 mV) höheren Spannung an seiner Basis den gesamten Strom aus der Stromquelle, Abb. 4.56. In einem Differenz-Verstärker kommen die Transistoren nicht in die Sättigung (es entsteht keine "Speicher-Ladung"). Die Spannungs-Begrenzung erfolgt also ohne Übersteuerung. Deshalb sind Differenz-Verstärker entsprechend "schnell", arbeiten also bis zu sehr hohen Frequenzen.

Bereits Mitte der '70er Jahre gab es die ersten Integrierten Schaltkreise für Radio- und Fernseh-Anwendungen, die mit Differenz-Verstärkern arbeiteten, wie z.B. dem TBA120, dessen Kette von Differenz-Verstärkern das nächste Bild zeigt.

Bei einem solchen Begrenzer-Verstärker kommt mit steigender Amplitude des Eingangssignals zuerst der letzte Differenz-Verstärker in die Spannungs-Begrenzung, dann mit steigender Amplitude der vorletzte usw. Dadurch kann ein sehr großer Bereich von Spannungs-Amplituden (30 μV - 500 mV) des Eingangs-Signals verarbeitet werden.

Im Zusammenhang mit ICs mit Ketten von Differenz-Verstärkern wurde es dann üblich, die ZF-Filterung des FM Signals mit keramischen Filtern vor diesen ICs anzuordnen. Diese ICs enthalten auch die FM-Demodulation und meist auch noch eine Vorverstärkung für das (demodulierte) NF Signal.

Die Ingenieurs-Kunst der Schaltungs-Entwicklung ging auf diese Weise schließlich von den Radio-Fabriken über zu den Entwicklern der Integrierten Schaltkreise.

Beispiele realisierter Empfänger

Ein erstes Beispiel ist der Grundig RT100 aus den Jahren 1968 - 70, dessen FM ZF Verstärker im nächsten Bild gezeigt wird.

Im Unterschied zum Typ "Audion"-Begrenzung bei Röhren, wo die Zeitkonstante RC im Gitterkreis liegt, wird hier die Zeitkonstante durch die RC Kombination im Emitter gewählt. Da Stufen aus Einzel-Transistoren (mit entsprechender Beschaltung) nicht rückwirkungsfrei sind, ist eine Neutralisation unumgänglich. Auch erkennt man jeweils im Kollektor den "Schutz-Widerstand" vor dem Schwingkreis, mit dessen Hilfe die spannungsabhängige Kollektor-Kapazität von der Schwingkreis-Kapazität isoliert wird.

Ein zweites Beispiel ist der ReVoX A76 UKW Tuner aus den Jahren 1968 - 71. Auch von ihm wird der ZF Verstärker gezeigt. Die Amplituden-Begrenzung der FM Schwingung erfolgt hier mit einer Kette von Differenz-Verstärkern. (CA3028 oder CA3053)

Das Schaltungskonzept des A76 war damals "revolutionär neu". Die Filterung in der ZF erfolgt durch ein 10,7 MHz Gauß-Filter, das sich durch eine konstante Laufzeit auszeichnet und deshalb keine Verzerrungen der FM Schwingung verursacht. Vom Gauß-Filter getrennt ist der Begrenzer-Verstärker, der mit ca. 1 MHz Bandbreite arbeitet. Die einzelnen Begrenzer-Stufen sind über (entsprechend breite) Einzelkreise gekoppelt. 

Ein drittes Beispiel ist der Grundig ST-6500 aus den Jahren 1983 - 84, der die Amplitudenbegrenzung des FM ZF Signals mit Hilfe eines Phasen-Regelkreises (PLL) realisiert hat.

Beim ST6500 ist die (lineare) ZF-Verstärkung und die Filterung mit insgesamt 4 keramischen Filtern getrennt von der Amplituden-Begrenzung und der FM-Demodulation, welche in einem PLL Demodulator erfolgen. Als IC wird hierfür das TDA1576 eingesetzt, das sonst üblichererweise "nur" als (vierstufiger) FM ZF-Begrenzer-Verstärker und FM-Quadratur-Demodulator verwendet wird. Der ST6500 wurde im Labor "Knoll" entwickelt, wie auch schon davor der RT100.

  • Ich danke Hans Knoll für die Bereitstellung von Unterlagen und für hilfreiche Diskussionen zum Thema und Harald Giese für Korekturlesen.

Literatur:

[1] "Lübben, C.: Röhren-Empfangsschaltungen für die Radiotechnik, Meusser, 1925"

[2] "Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik, Bd. 1, 4.A., VAG, 1963"

[3] "Haag, E.: Die pegelgesteuerte Begrenzerstufe im UKW-Empfänger, Funkschau 1957, Heft 5, pp. 115 - 117"

[4] " Stremler, F.G.: Introduction to Communication Systems, 3rd ed., Addison-Weley, 1990"

[5] "Ghirardi, A.A.: Receiver Circuitry and Operation, 4th printing, Rinehart, 1961"

[6] "Arguimbau, L.B.; Adler, R.B.: Vacuum-Tube Circuits and Transistors, Wiley, 1956"

[7] "Roddy, D.; Coolen, J.: Electronic Communications, 4th ed. Prentice Hall, 1995"

[8] "Tietze, U.; Schenk, Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. A., Springer, 2002"

MfG DR

This article was edited 26.Apr.19 14:37 by Dietmar Rudolph .

  
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