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La présente invention concerne principalement des circuits limitant l'amplitude et plus particulièrement, tou- tefois sans être exclusive dans son aspect plus large, elle concerne des dispositions de circuit pour limiter l'ampli- tude des ondes de sortie produites par un oscillateur à ,transistor.
Un objet principal de l'invention est de limiter de la manière la plus simple les écarts positifs et négatif& d'une onde de signal en courant alternatif.
Un autre objet est d'améliorer la symétrie en li- mitant les écarts positifs et négatifs d'une onde de signal en courant alternatif.
Un autre objet plus particulier consiste à mainte- nir exactement à un niveau prédéterminé l'amplitude des oscil- lations produites par un oscillateur à transistors.
Un autre objet est d'empêcher le niveau d'oscilla- tions d'un oscillateur à transistors de subir des fluztua- tions.
Dans une installation de téléphonie à courants por teurs pourvue ,de transistors, il est particulièrement impor- tant que le niveau des oscillations produites par chaque oscillateur à.fréquence-porteuse reste toujours constant. Des tolérances contre des phénomènes tels que le chant, la diapho- nie et l'écho sont petites dans une telle installation afin de permettre de réduire à la valeur minimum la perte globale de l'installation. Des changements indésirables dans le ni- veau des porteuses peuvent pour cela causer des difficultés sérieuses.
Autrefois, le niveau d'amplitude des ondes produites
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par un oscillateur à fréquence-porteuse était généralement: maintenu sensiblement constant soit en réglant des facteur tels que, tensions de polarisation de courant continu et amenées de courant, qui tendent à fluctuer et en outre à changer le niveau d'amplitude des oscillations de sortie ou . en. produisant des circuits limiteurs qui empêchent les écarts positifs et négatifs de l'onde de sortie de dépasser des va- leurs prédéterminées. Des circuits de réglage pour sources d'alimentation de courant continu et d'autres éléments qui tendent de produire des variations de niveau sont toutefois souvent relativement complexes, tandis que les circuits li- miteurs découverts antérieurement sont eux-mêmes sujets à certaines inexactitudes.
Le circuit le plus simple connu antérieurement po limiter les écarts positifs et négatifs d'une onde de signal de courant alternatif prend la forme d'une paire d'éléments redresseurs polarisés en opposition, montés en parallèle aux bornes d'une ligne portant le, signal à limiter. Chaque élé- ment redresseur est pourvu d'une polarisation inverse à cou- rant continu..d'une valeur égale au niveau auquel on désire que la limitation ait lieu. Alors, lorsque l'amplitude du signal de l'une ou l'autre polarité dépasse la valeur de la tension de polarisation à courant continu, l'élément redres, seur approprié produit un trajet de faible impédance aux bor. pes de la ligne, limitant l'amplitude du signal à la valeur circuit de la tension de polarisation.
Un tel/est toutefois.pour son exactitude, strictement dépendant de la grandeur des ten- sions 'de la polarisation à courant continu respectives,Si les tensions de polarisation à courant continu sont sujettes à fluctuer, il en est aihsi de.l'amplitude finale de l'onde signal àcourant alternatif pour laquelle la limitation est
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voulue .
La présente invention permet de limiter symétri- quement une onde signal à courant alternatif quant aux é- carts positifs et négatifs sans se fier à la précision des tensions de polarisation à courant continu et des sources de tension. La possibilité de fluctuations du niveau due à des variations de tension de polarisation dans le limiteur est complètement éliminée et l'amplitude du signal à courant alternatif étant limitée est maintenue à un niveau constant en tout temps. Dans une installation de téléphonie à courants porteurs utilisant des oscillateurs à porteuses suivant l'in. vention, la possibilité de chant, de diaphonie ou d'écho pansée par des variations indésirables du niveau de la por- teuse est évitée.
Conformément à un aspect principal de la présente invention, la source d'une onde signal'à courant alternatif à limiter est pourvue d'une diode à jonction p-n , présen- tant une région d'amorçage d'avalanche dans sa caractéris- tique de conduction inverse, montée en série avec un con- densateur à ses bornés de sortie. Le condensateur présente une durée de décharge d'au moins plusieurs fois supérieure à la période dinimum de l'onde de signal et sous les condi- tions de régime permanent, provoque la limitation symétrique des écarts positifs et négatifs de l'onde de'signal.
Les écarts d'une polarité sont limitée par la caractéristique de conduction directe ou vers l'avant de la diode, tandis que les écarts de l'autre. polarité sont limités par la région d'amorçage d'avalanche de la caractéristique de conduction inverse de la diode.
Des formes d'exécution de la présente invention sont avantageuses par rapport à la technique antérieure sous le nombre de rapport. Non seulement, elles sont complètement
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indépendantes des grandeurs des sources de courant continu sujettes à des fluctuations pour déterminer l'amplitudd de Inonde signal limitée, mais tendent à être beaucoup plus simples que les dispositifs utilisés dans le passé pour ef- fectuer la même fonction. Deux éléments de circuit seulement ,sont exigés, éliminant tout besoin possible d'équilibrer deux . redresseurs séparés à des tolérances étroites. En outre, il n'est pas nécessaire de prévoir soit des batteries de pola- soit risation séparées pour le circuit limiteur,/des connex- ions à une autre source d'alimentation de courant continu disponible.
Une Terme principale d'exécution de l'invention prend la forme d'un oscillateur à transistors dans une in- stallation de transmission téléphonique à courants porteurs pourvue de transistors. Un cristal piézoélectrique est cou- plé entre les bornes d'entrée et de sortie du transistor pour déterminer la fréquence de fonctionnement, un bouchon accordé à la fréquence porteuse désirée est relié entre les bornes de sortie de l'oscillateur pour maintenir le cristal dans son propre mode de fonctionnement et pour écarter toute harmonique produite, et une diode à avalanche est reliée en série avec un condensateur aux bornes du bouchon pour procu- rer des limitations symétriques des écarts positifs et néga- tifs de l'onde de sortie de l'oscillateur.
D'un autre aspect, l'invention prend la forme d'un oscillateur de réaction dans lequel la combinaison d'un condensateur et d'une diode à avalanche est utilisée au lieu des caractéristique de saturation de l'élément amplifiant pour réglere gain de la bouclé à l'unité. Un oscillateur à réaction comprend des moyens producteurs de gain, des moyens de sélection de fréquences pour déterminer la fréquence d'os-
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cillation et des moyens limiteurs pour régler le gain aans la boucle de réaction à l'unité. Autrefois, la plupart des oscillateurs à réaction comptaient sur la saturation du dis- positif producteur de gain,par exemple des tubes à vide ou transistor, pour la limitation qui règle le gain de la bou- cle à l'unité et fixe l'amplitude de l'oscillation.
Les ca- ractéristiques de saturation de transistor.et de tubes à vi- de tendent, cependant, à varier avec des tensions de batte- ries appliquées; et ce qui a pour résultat que l'amplitude des oscillations produites tend à varier en conséquence.
Suivant la présente invention, un oscillateur à réaction est pourvu dans sa bou&le de réaction de la combi- naison en série d'un condensateur et d'une diode à avalanche
Comme il a été dit antérieurement, le condensateur a une du- rée de décharge d'au moins plusieurs fois supérieure à la période des oscillations produites.
Le dispositif produc- teur de gain de l'oscillateur est pourvu de gain excédant le gain nécessaire principalement pour atteindre le niveau fixé par le limiteur de manière à assurer l'action de limita- tion sans se préoccuper des variations anticipées de tension @ de polarisation à courant continu et des sources de tension et le condensateur et la diode à avalanche coopèrent pour régler à l'unité le gain de la boucle de l'oscillateur,
Le niveau des oscillations de sortie est de ce fait mainte- nu constant en tout temps et est indépendant des variations dans les caractéristiques, de saturation du tube à vide pro- ducteur de gain,ou transistor provoquées par les variations de tension à courant continu.
L'invention sera mieux comprise en se référant aux dessins et à la description'détaillée de plusieurs forces d'exécution-de-la présente invention. Sur les dessins :
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- la figure 1 est une 1 enLa(-Iiori gitiéral:Lsée d'une forme d'exécution de la présente invention; - la figure 2 illustre la caractéristique intensi- té-tension d'une diode type présentant une région d'amorçage d'avalanche dans sa caractéristique de conduction inverse ; - la figure 3 représente un oscillateur à fréquen- ce-porteuse à transistors englobant l'invention; et - la figure 4 illustre un autre oscillateur à fré- quence-porteuse à transistors renfermant l'invention.
La forme d'exécution généralisée de l'invention illustrée à la figure 1 comprend un source de signaux 11 à courant alternatif ayant un circuit limiteur connecté en- tre ses bornes de sortie. Suivant la présente invention, le circuit limiteur comprend une diode ,à avalanche 12 reliée en série avec un condensateur 13.
La diode 12 est une diode à jonction p-n présenta en plus de la faible résistance dans la direction avant, une caractéristique de conduction inverse qui comprend une ré- . gion à haute résistance pour des tensions appliquées de va- leur inférieure à une valeur critique et, une région bien définie de tension sensiblement constante pour des tensions appliquées supérieures à la valeur critique.
Par exemple, des diodes de ce type sont décrites dans l'article rédigé par G.L. Pearson et B. sawyer, "Diodes à jonctions P. N. en alliage de' silicone" paraissant à la page 1348 du numéro de novembre 1952 publié par le "Procee- dings"du I.R.E. -
La durée de décharge du condensateur 13 est au moins plusieurs fois supérieure à la période minimum de l'on- de de signal produite par une source de courant alternatif
11.
La. figure 2 illustre les caractéristiques intensi-
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té-tension de la diode 12 à jonction p-n de la forme d'exé- cution suivant l'invention illustrée à la figure 1. Comme représenté , la caractéristique de conduction de la diode 12 ressemble à celles de beaucoup de dispositifs redresseurs sa dans sa région de conduction vers l'avant (A) et dans/région ,de conduction inverse (B) pour des tensions inférieures à la valeur critique ou valeur d'amorçage d'avalanche Vc.
La diode 12 possède une résistance très faible (d'un ordre de grandeur mesuré en ohms) dans\la direction avant et une très haute résistance(d'un ordre de grandeur mesuré en mégohms) dans la direction inverse pour des tensions appliquées infé- rieures à V . 'Pour des tensions .appliquées supérieures à c 12 la valeur V , la diode/est toutefois un dispositif à tension ensiblement constante ayant une très faible résistance (d'un ordre de grandeur mesuré une fois de plus en ohms).
Dans les formes d'exécution de la présente inven- tion, la tension d'amorçage de la diode à avalanche 12 est choisie de manière à être sensiblement égale à deux fois la valeur à laquelle l'amplitude de pointe de l'onde de sortie de l'oscillateur 11 doit être limitée. Le niveau auquel 'pointe de l'amplitude de/l'onde de sortie de l'escillateur 11 doit être limité est, à.son tour, choisi de manière à être inférieur à l'amplitude de cette onde sans être limité afin.de prévoir une marge suffisante pour empêcher des facteurs tels que des fluctuations des sources de tension à courant continu de l'oscillateur, d'affecter l'amplitude finale de l'onde de sortie.
En régime permanent de fonctionnement de la forme d'exécution de l'invention représentée à la figure 1 des é- carts positifs de l'onde de signal sont limités par la ré- gions d'amorçage d'avalanche de la caractéristique inverse
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de la diode 12, tandis que des écarts négatifs sont limités par la caractéristique de conduction vers l'avant. Avant que les conditions du régime permanent soient atteintes, il exis te cependant un régime transitoire d'au moins plusieurs cy- cles de l'onde de signal. Au début, des demi-périodes négati- ves de l'onde de signal sont complètement écrêtées par la ca- . ractéristique de conduction vers l'avant de la diode 12, tandis que les demi-cycles positifs sont limités seulement après avoir atteint la valeur Vc.
Avec chaque période successive de l'onde de signal sa cependant la charge du condensateur 13 se constitue.Comme durée de décharge a té rendue au moins plusieurs fois plus longue que la période minimum de l'onde de signal, le condensateur
13 ne peut se décharger complètement en une période unique.
Tandis que la charge du condensateur 13 commence à se con- stituer, la diode 12 commence à permettre le passage d'une -partie de plus en plus grande des écarts négatifs de l'onde de signal sans les limiter et commence à permettre également le passage d'une partie de plus en plus petite des écarts positifs. Fialement, lorsque l'équilibre est atteint, la ten, sion du condensateur 13 est précisément égale à la moitié de la tension d'amorçage Vc de l'avalanche de la diode. Le ni... veau des écarts négatifs de signal, tel que limité par la caractéristique vers l'avant de la diode 12 est alors égal au niveau des écarts positifs limité par la région d'amorça- ge d'avalanche de la caractéristique inverse.
La tension ap- pliquée au condensateur 13 pendant tout intervalle de charge est alors égale seulement à la moitié de la tension d'amor- @ çage d'avalanche Vc de la diode, et la charge du condensa- teur 13 se maintient par âpres sensiblement constante. La li- mitation est symétrique tant pour les écarts positifs que né- gatifs de l'onde de signal et n'est pas dépendante des gran-
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deurs de n'importe quelle tension de polarisation à courant continu appliquée.
Une forme d'exécution spécifique de l'invention particulièrement utilisable dans une installation de télé- phonie à courants porteurs est l'oscillateur à fréquence por- teuse à transistors représenté à la figure 3. A la figure 3, . la source de signaux.à courant, alternatif à'limiter est un oscillateur à fréquence porteuse utilisant un transistor 15 tomme élément.produisant le gain. L'électrode de base du transistor 15 est reliée à travers l'enroulement secondaire d'un transformateur 16 inverseur de phase, à un c8té d'un con. densateur de dérivation 17, dont l'autre c8té est mis à la terre. L'électrode émettrice du transistor 15 est mise à la terre à travers trois résistances 18, 19 et 20 montées en série.
Un condensateur de dérivation 21 est relié entre l'é- lectrode émettrice du transistor 15 et la terre, tandis que la jonction entre les résistances 19 et 20 est reliée au c8té non relié à la terre du condensateur de dérivation 17.
Une bobine d'inductance 22 et un condensateur 23 sont montés en,parallèle entre l'électrode collectrica du transistor 15 et/la terre et sont accordés à la fréquence à laquelle le circuit est destiné à osciller. L'électrode col- lectrice du transistor 15 est, en plus, mise à' la terre à travers la combinaison en série d'une première résistance 24, d'une deuxième résistance 25 et'd'Une source d'alimentation de courant continu négatif 26. A partir d'un point situé entre lés résistances 24 et 25, un cristal piéso-électrique 27 dé- terminant la fréquence est relié à un côté de l'enroulement primaire du transformateur 16dont l'autre coté est mis à la terre.
La jonction entre la résistance 25 et la source d'alimentation 26 est directement reliée au point commun en- tre les résistances 18 et 19 située sur le trajet émetteur-
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,terre du transistor 15. Suivant la présente' invention, la dicde à avalanche 12 et le condensateur 13 sont également reliés en série entre l'électrode collectrice du transistor
15 et la terre.
Les éléments énoncés jusqu'à présent constituent .un oscillateur à fréquence porteuse à transistor à limita- tion symétrique suivant la présente invention afin de régler à l'unité le gain de la boucle de réaction. Le circuit du transistor est de configuration dite émettrice commune, et le transformateur 16 est orienté pour renvoyer des signaux venant de'l'électrode collectrice du transistob 15, en pha- se, à l'électrode de base.
De cette manière, le circuit est amené à entrete- nir des oscillations à une fréquence déterminée principale- ment par le cristal piéso-électrique 27. La diode 12 et le condensateur 13 caractérisés par la présente invention fonc- tionnent de la manière décrite en référence à la figure 1 et produisent la limitation symétrique des écarts positifs . et négatifs du signal résultant dans les conditions de régi- me permanent.et règlent à l'unité le gain de la boucle du circuit.
Le circuit accordé constitué par l'inductance 22 et le condensateur'23 contribue à assurer l'oscillation du cristal 27 dans le mode voulu en prévoyant une réduction importante en gain à toutes les fréquences autres que celles proches de la fréquence fondamentale du cristal et en outre en rendant improbable un gain suffisant pour l'oscillation dans d'autres modes. En outre, le circuit accordé tend à éliminer des harmoniques qui sinon se produiraient par l'ac- tion de limitation de la diode 12 et du condensateur 13.
L'on- de de signal résultante apparaissant entre la résistance 24 et la terre est sensiblement une onde sinusoidale pure ayant une amplitude de pointe égale à la moitié de la tension d'a-
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morçage d'avalanche de la diode 12 ou une amplitude quadrati- que moyenne de 1 fois la tension d'amorçage .
2#2
Pour augmenter le niveau des oscillations à ampli.. tude limitée apparaissant entre la résistance 24 et la terr dans la forme de réalisation de l'invention montrée à la figure 3, un deuxième transistor 28 est prévu. Le transistor
28 est aussi de la configuration dite émettrice-commune et son électrode de base reliée directement à la jonction entre les résistances 24 et 25. L'électrode émettrice du transis- tor 28 est reliée à la source de potentiel négatif 26 à tra.. vers le bras de résistance d'un potentiomètre 29 et d'une résistance montée en série. Un condensateur de dérivation
31 est mis à la terre depuis la prise variable située sur le potentiomètre 29.
Un trajet de sortie pour signaux est for- mé par un transformateur 32 qui a son enroulement primaire relié entre l'électrode .collectrice du transistor 28 et la terre.
Le potentiomètre 29 est prévu dans la forme d'exé- cution de l'invention représentée à la figure 3 de manière à fournir un'réglage fin du niveau de sortie des oscilla- tions produites. L'amplitude d'oscillation apparaissant entre l'électrode de base du transistor 28 et la terre dépend lar- gement de la tension d'amorçage d'avalanche de la diode 12.
Pour compenser les.écarts légers de cette tension d'amorça- ge dans les différentes diodes par rapport à la valeur exacte désirée, le réglage de l'amplitude finale du signal de sor- tie peut être effectué au moyen du potentiomètre 29.
La figure 4 représente une forme d'exécution de l'invention qui est une variante de l'oscillateur à fréquen- ce-porteuse à transistors représentée à la figure 3. A la fi- gure 4, le cristal 27 au lieu d'être directement relié à
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l'électrode de base du transistor 28 est relié au point de jonction entre une paire de résistances 33 et 34 qui sont reliées en série entre l'électrode collectrice du transis- tor 15 et la terre.
Afin de régler le courant passant à travers le 'cristal 27, il est désirable d'avoir un contrôle séparé de celui déterminé par-les exigences de polarisation en courant continu du transistor 28. A la figure 3, la prise pour le cristal prévue entre les résistances 24 et 25 détermine la tension de polarisation en.courant continu appliquée à la base du transistor 28. Par contre, à la figure 4, les résis- tances 33 et 34 donnent une prise pour le cristal indépendan.- te du circuit de polarisation pour le transistor 28.
Il est entendu que les formes d'exécution qui ont été décrites illustrent l'application des principes de l'in- vention. Bien d'autres formes d'exécution peuvent être com- -binées par les hommes de métier sans s'écarter de l'esprit et du champ de l'invention.
. REVENDICATIONS.-
1.-En combinaison, une source de signaux en cou- rant alternatif et un moyen pour limiter symétriquement les écarts positifs et négatifs desdits signaux dans les condi- tions de régime permanent qui comprend une diode semi-con- ductrice à jonction p-n ayant une région de tension sensi- blement constante dans sa caractéristique de conduction inverse pour des tensions appliquées dépassant une valeur critique reliées en série avec un condensateur à ladite sour- ce, la durée de décharge du condensateur étant au moins plu- sieurs fois supérieure à la période minimum desdits signaux.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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The present invention relates primarily to amplitude limiting circuits and more particularly, however without being exclusive in its broader aspect, it relates to circuit arrangements for limiting the amplitude of the output waves produced by an oscillator to. transistor.
A main object of the invention is to limit in the simplest way the positive and negative deviations & of an alternating current signal wave.
Another object is to improve the symmetry by limiting the positive and negative deviations of an AC signal wave.
Another more particular object is to maintain exactly at a predetermined level the amplitude of the oscillations produced by a transistor oscillator.
Another object is to prevent the oscillation level of a transistor oscillator from fluctuating.
In a carrier current telephony installation provided with transistors, it is particularly important that the level of the oscillations produced by each frequency-carrier oscillator always remains constant. Tolerances against such phenomena as singing, diaphragm and echo are small in such an installation in order to allow the overall loss of the installation to be reduced to a minimum. Undesirable changes in the carrier level can cause serious difficulties.
In the past, the amplitude level of the waves produced
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by a frequency-carrier oscillator was generally: kept substantially constant either by adjusting factors such as, direct current bias voltages and current feeds, which tend to fluctuate and further change the amplitude level of the output oscillations or . in. producing limiter circuits which prevent the positive and negative deviations of the output wave from exceeding predetermined values. Control circuits for direct current power sources and other elements which tend to produce variations in level are often relatively complex, however, while previously discovered limiting circuits themselves are subject to certain inaccuracies.
The simplest circuit previously known to limit the positive and negative deviations of an alternating current signal wave takes the form of a pair of oppositely polarized rectifier elements, connected in parallel across a line carrying the, signal to be limited. Each rectifier element is provided with a direct current reverse bias of a value equal to the level at which the limitation is desired to occur. Then, when the signal amplitude of either polarity exceeds the value of the DC bias voltage, the appropriate rectifier element produces a low impedance path to the borers. pes line, limiting the amplitude of the signal to the circuit value of the bias voltage.
Such a / is, however, for its accuracy, strictly dependent on the magnitude of the respective DC bias voltages. If the DC bias voltages are subject to fluctuation, so is the amplitude. waveform AC signal for which the limitation is
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wanted.
The present invention allows an AC signal wave to be symmetrically limited in terms of positive and negative deviations without relying on the accuracy of the DC bias voltages and voltage sources. The possibility of level fluctuations due to bias voltage variations in the limiter is completely eliminated and the amplitude of the AC signal being limited is kept at a constant level at all times. In a carrier current telephony installation using carrier oscillators according to in. However, the possibility of singing, crosstalk or echo healed by undesirable variations in the carrier level is avoided.
In accordance with a principal aspect of the present invention, the source of an AC signal wave to be limited is provided with a pn junction diode, having an avalanche initiating region in its characteristic of. reverse conduction, mounted in series with a capacitor at its output terminals. The capacitor has a discharge time of at least several times greater than the minimum period of the signal wave and under steady-state conditions causes the symmetrical limitation of the positive and negative deviations of the signal wave. .
Deviations from one polarity are limited by the forward or forward conduction characteristic of the diode, while deviations from the other. polarity are limited by the avalanche initiation region of the reverse conduction characteristic of the diode.
Embodiments of the present invention are advantageous over the prior art in number of ratios. Not only are they completely
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independent of the magnitudes of the fluctuating direct current sources to determine the amplitude of the limited signal wave, but tend to be much simpler than devices used in the past to perform the same function. Only two circuit elements are required, eliminating any possible need to balance two. separate rectifiers to close tolerances. Further, it is not necessary to provide either separate polarization batteries for the limiter circuit, / connections to another available DC power source.
A main term of execution of the invention takes the form of a transistor oscillator in a powerline telephone transmission installation provided with transistors. A piezoelectric crystal is coupled between the input and output terminals of the transistor to determine the operating frequency, a plug tuned to the desired carrier frequency is connected between the output terminals of the oscillator to hold the crystal in its sound. own mode of operation and to rule out any harmonics produced, and an avalanche diode is connected in series with a capacitor across the plug to provide symmetrical limitations of the positive and negative deviations of the output wave from the oscillator.
From another aspect, the invention takes the form of a feedback oscillator in which the combination of a capacitor and an avalanche diode is used instead of the saturation characteristics of the amplifying element to adjust the gain of. the looped to the unit. A feedback oscillator comprises gain producing means, frequency selection means for determining the bone frequency
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oscillation and limiting means for adjusting the gain in the unit feedback loop. In the past, most feedback oscillators relied on the saturation of the gain-producing device, for example vacuum tubes or transistors, for the limitation which sets the gain of the loop to unity and fixes the amplitude. of oscillation.
The saturation characteristics of the transistor and the vacuum tubes, however, tend to vary with applied battery voltages; and which results in the amplitude of the oscillations produced tending to vary accordingly.
According to the present invention, a feedback oscillator is provided in its feedback loop with the series combination of a capacitor and an avalanche diode.
As stated previously, the capacitor has a discharge time of at least several times greater than the period of the oscillations produced.
The oscillator gain-producing device is provided with gain exceeding the gain required primarily to achieve the level set by the limiter so as to provide the limiting action without regard to anticipated variations in voltage @ bias. direct current and voltage sources and the capacitor and the avalanche diode cooperate to individually adjust the gain of the oscillator loop,
The level of the output oscillations is therefore kept constant at all times and is independent of variations in the characteristics, of saturation of the gain-producing vacuum tube, or of the transistor caused by variations in direct current voltage.
The invention will be better understood by reference to the drawings and the detailed description of several embodiments of the present invention. On the drawings:
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FIG. 1 is a first embodiment of the present invention; FIG. 2 illustrates the current-voltage characteristic of a typical diode having a starting region of 'avalanche in its reverse conduction characteristic; - Figure 3 shows a transistor frequency carrier oscillator embodying the invention; and - Figure 4 illustrates another transistor frequency carrier oscillator incorporating the invention .
The generalized embodiment of the invention illustrated in FIG. 1 comprises an alternating current signal source 11 having a limiter circuit connected between its output terminals. According to the present invention, the limiter circuit comprises an avalanche diode 12 connected in series with a capacitor 13.
Diode 12 is a p-n junction diode exhibited in addition to the low resistance in the forward direction, a reverse conduction characteristic which includes a re-. A high resistance region for applied voltages below a critical value and a well-defined region of substantially constant voltage for applied voltages above the critical value.
For example, diodes of this type are described in the article by GL Pearson and B. sawyer, "Silicone Alloy PN Junction Diodes" appearing on page 1348 of the November 1952 issue of the "Procee- dings "from IRE -
The discharge time of the capacitor 13 is at least several times greater than the minimum period of the signal wave produced by an alternating current source.
11.
Figure 2 illustrates the intensified characteristics
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t-voltage of pn-junction diode 12 of the embodiment of the invention shown in Figure 1. As shown, the conduction characteristic of diode 12 resembles those of many rectifier devices in its direction. forward conduction region (A) and in / region, reverse conduction (B) for voltages below the critical value or avalanche initiation value Vc.
Diode 12 has very low resistance (of an order of magnitude measured in ohms) in the forward direction and very high resistance (of an order of magnitude measured in megohms) in the reverse direction for lower applied voltages. laughing at V. For applied voltages greater than the value V, the diode / is however a substantially constant voltage device having a very low resistance (of an order of magnitude measured once again in ohms).
In the embodiments of the present invention, the starting voltage of the avalanche diode 12 is chosen to be substantially equal to twice the value at which the peak amplitude of the output wave of oscillator 11 must be limited. The level at which the peak of the amplitude of the output wave of the escillator 11 is to be limited is, in turn, chosen so as to be less than the amplitude of that wave without being limited in order to. provide sufficient margin to prevent factors such as fluctuations in the oscillator DC voltage sources from affecting the final amplitude of the output wave.
In steady state operation of the embodiment of the invention shown in Figure 1 positive deviations of the signal wave are limited by the avalanche initiation regions of the inverse characteristic.
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of diode 12, while negative deviations are limited by the forward conduction characteristic. Before steady state conditions are reached, however, there is a transient state of at least several cycles of the signal wave. In the beginning, negative half-periods of the signal wave are completely clipped by the ca-. forward conduction characteristic of diode 12, while positive half cycles are limited only after reaching the value Vc.
With each successive period of the signal wave, however, the charge of the capacitor 13 builds up. As the discharge time has been made at least several times longer than the minimum period of the signal wave, the capacitor
13 cannot discharge completely in a single period.
As the charge of the capacitor 13 begins to build up, the diode 12 begins to allow the passage of an increasingly large part of the negative deviations of the signal wave without limiting them and begins to allow the passage as well. passage of a smaller and smaller portion of the positive deviations. Finally, when equilibrium is reached, the voltage of the capacitor 13 is precisely equal to half of the starting voltage Vc of the avalanche of the diode. The level of negative signal deviations, as limited by the forward characteristic of diode 12 is then equal to the level of positive deviations limited by the avalanche initiating region of the inverse characteristic. .
The voltage applied to capacitor 13 during any charging interval is then only equal to half of the avalanche starting voltage Vc of the diode, and the charge of capacitor 13 is maintained by roughly. constant. The limit is symmetrical for both the positive and negative deviations of the signal wave and is not dependent on the large-
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dors of any applied DC bias voltage.
A specific embodiment of the invention which can be particularly used in a carrier current telephony installation is the carrier frequency oscillator with transistors shown in FIG. 3. In FIG. 3,. the source of the AC signals to be limited is a carrier frequency oscillator using a transistor 15 as an element producing the gain. The base electrode of transistor 15 is connected through the secondary winding of a phase inverting transformer 16, to one side of a con. bypass densator 17, the other side of which is grounded. The emitting electrode of transistor 15 is grounded through three resistors 18, 19 and 20 connected in series.
A bypass capacitor 21 is connected between the emitter electrode of transistor 15 and earth, while the junction between resistors 19 and 20 is connected to the ungrounded side of bypass capacitor 17.
An inductance coil 22 and a capacitor 23 are connected in parallel between the collectrica electrode of the transistor 15 and / the earth and are tuned to the frequency at which the circuit is intended to oscillate. The collector electrode of transistor 15 is additionally grounded through the series combination of a first resistor 24, a second resistor 25 and a direct current power source. negative 26. From a point between the resistors 24 and 25, a piezoelectric crystal 27 determining the frequency is connected to one side of the primary winding of the transformer 16, the other side of which is earthed. .
The junction between resistor 25 and power source 26 is directly connected to the common point between resistors 18 and 19 located on the emitter path.
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, earth of transistor 15. According to the present invention, the avalanche dicde 12 and the capacitor 13 are also connected in series between the collector electrode of the transistor.
15 and the earth.
The elements discussed so far constitute a symmetrically limited transistor carrier frequency oscillator according to the present invention in order to set the gain of the feedback loop to unity. The circuit of the transistor is of a so-called common emitter configuration, and the transformer 16 is oriented to return signals from the collector electrode of the transistob 15, in phase, to the base electrode.
In this way, the circuit is caused to maintain oscillations at a frequency determined mainly by the piezoelectric crystal 27. The diode 12 and the capacitor 13 characterized by the present invention operate in the manner described with reference. in Figure 1 and produce the symmetrical limitation of positive deviations. and negative of the resulting signal under steady-state conditions and set the loop gain of the circuit to unity.
The tuned circuit formed by the inductor 22 and the capacitor 23 contributes to ensuring the oscillation of the crystal 27 in the desired mode by providing a significant reduction in gain at all frequencies other than those close to the fundamental frequency of the crystal and in besides making sufficient gain for oscillation in other modes unlikely. Furthermore, the tuned circuit tends to eliminate harmonics which would otherwise occur by the limiting action of diode 12 and capacitor 13.
The resulting signal wave appearing between resistor 24 and earth is substantially a pure sine wave having a peak amplitude equal to half the voltage of a-.
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avalanche breakdown of diode 12 or an average quadratic amplitude of 1 times the ignition voltage.
2 # 2
To increase the level of the amplitude limited oscillations occurring between resistor 24 and earth in the embodiment of the invention shown in Figure 3, a second transistor 28 is provided. The transistor
28 is also of the so-called emitter-common configuration and its base electrode connected directly to the junction between resistors 24 and 25. The emitting electrode of transistor 28 is connected to the source of negative potential 26 through. the resistance arm of a potentiometer 29 and a resistor mounted in series. A bypass capacitor
31 is earthed from the variable tap located on potentiometer 29.
An output signal path is formed by a transformer 32 which has its primary winding connected between the collector electrode of transistor 28 and earth.
The potentiometer 29 is provided in the embodiment of the invention shown in FIG. 3 to provide fine adjustment of the output level of the oscillations produced. The amplitude of oscillation appearing between the base electrode of transistor 28 and earth depends largely on the avalanche starting voltage of diode 12.
To compensate for the slight deviations of this starting voltage in the different diodes from the exact value desired, the final amplitude of the output signal can be adjusted by means of potentiometer 29.
Figure 4 shows an embodiment of the invention which is a variant of the transistor frequency carrier oscillator shown in Figure 3. In Figure 4, crystal 27 instead of being directly connected to
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the base electrode of transistor 28 is connected at the junction point between a pair of resistors 33 and 34 which are connected in series between the collector electrode of transistor 15 and earth.
In order to adjust the current flowing through crystal 27, it is desirable to have control separate from that determined by the DC bias requirements of transistor 28. In Figure 3, the tap for the crystal provided between. resistors 24 and 25 determine the direct current bias voltage applied to the base of transistor 28. On the other hand, in FIG. 4, resistors 33 and 34 give a tap for the crystal independent of the circuit. bias for transistor 28.
It is understood that the embodiments which have been described illustrate the application of the principles of the invention. Many other embodiments can be combined by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention.
. CLAIMS.-
1.-In combination, a source of alternating current signals and a means for symmetrically limiting the positive and negative deviations of said signals under steady-state conditions which comprises a pn junction semiconductor diode having a voltage region substantially constant in its reverse conduction characteristic for applied voltages exceeding a critical value connected in series with a capacitor at said source, the discharge time of the capacitor being at least several times greater than the period minimum of said signals.
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