DE1416459C - Als RC Oszillator ausgebildeter Initia tor - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen als RC- deren maximaler Wert so groß ist, daß nur bei VerOszillator ausgebildeten Initiator, umfassend einen ringerung ihres Wertes unter einen einem Schwellwert Verstärker und ein Rückkopplungsnetzwerk mit einem der Eingangsgröße entsprechenden Wert Oszillatoreinen verteilten Längswiderstand und eine verteilte schwingungen auftreten.
Ableitungskapazität aufweisenden f -Glied. 5 Bei dem neuen Initiator kann das T-Glied des

ÄC-Oszillatoren, umfassend einen Verstärker und Rückkopplungsnetzwerkes, gewünschtenfalls zusamein Rückkopplungsnetzwerk mit einem einen Längs- men mit dessen weiteren Schaltelementen und dem widerstand und eine Ableitungskapazität aufweisenden Verstärker, in integrierter Halbleiterbauweise herge-T-Glied sind bekannt (Zeitschrift »Electronics«, Sep- stellt werden. Durch Wahl der Sperrspannung an dem tember 1950, S. 88, 89). Diese Oszillatoren sind nicht io p-n-Übergang des Halbleiterelements ist es in einfacher als Initiator ausgebildet, der bei einer bestimmten Weise möglich, jederzeit die Größe der verteilten Einstellung des Rückkopplungsnetzwerkes zu schwin- Kapazität und damit das Frequenzverhalten des gen anfängt. T-Glieds zu beeinflussen. Es ergeben sich ein sehr

Es ist andererseits bekannt, daß ein Oszillator erst genau definierter Ansprechpunkt des Initiators und bei einem bestimmten Wert eines Schaltelements im 15 eine gute Frequenzstabilität des Ausgangssignals im Querzweig eines im Rückkopplungsnetzwerk vorge- gesamten Arbeitsbereich.

sehenen T-Glieds zu schwingen anfängt (USA.-Patent- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

schrift 2 439 245). Zeichnungen näher erläutert, in denen Ausführungs-

Weiter ist es bekannt, das Rückkopplungsnetzwerk beispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigt eines 7?C-Oszillators mit einem verteilten Längswider- so F i g. 1 als Blockschaltbild einen Initiator nach der stand und einer verteilten Ableitungskapazität aufzu- Erfindung,

bauen (USA.-Patentschrift 2 544407, britische Patent- F i g. 2 ein bei dem Initiator gemäß Fig. 1 ver-

schrift 668 635). Hierbei ist nachteiligerweise ein großer wendbares Rückkopplungsnetzwerk,
baulicher Aufwand erforderlich. F i g. 3 als Schaubild die frequenzabhängige Phasen-

Bei einem anderen bekannten ÄC-Oszillator, um- 25 verschiebung des Rückkopplungsnetzwerkes gemäß fassend einen Verstärker und ein Rückkopplungsnetz- F i g. 2,

werk mit einem einen Längswiderstand und eine F i g. 4 als Schaubild die frequenzabhängige Phasen-

Ableitungskapazität aufweisenden T-Glied, ist die verschiebung des Initiators gemäß F i g. 1 bei Ver-Ableitungskapazität als verstellbare, eine verteilte Wendung eines Rückkopplungsnetzwerkes gemäß Kapazität aufweisende Kondensatorplatte ausgebildet 30 F i g. 2,

(Zeitschrift »Funk und Ton«, Nr. 6, 1952, S. 298 bis F i g. 5 die Phasenverschiebung ähnlich F i g. 4

305). Diese Lösung ist ebenfalls aufwendig. bei einer bestimmten Bemessung des Rückkopplungs-

Schließlich ist es bekannt, ein ein T-Glied um- netzwerkes.

fassendes Tiefpaßfilter in der Weise auszubilden, daß F i g. 1 zeigt schematisch einen als i?C-Oszillator

eine Doppelbasisdiode mit einer Emitter-Basis-Strecke 35 ausgebildeten Initiator mit einem Verstärker 55 und einen Längszweig und mit der anderen Emitter-Basis- einem als engbandiges Sperrfilter wirkenden RückStrecke einen Querzweig eines T-Glieds bildet, wobei kopplungsnetzwerk 54, die mittels Leitungen 56, 57 die Doppelbasisdiode zwischen dem Emitter und den in einer Rückkopplungsschleife geschaltet sind. Am beiden Basen einen p-n-Ubergang aufweist, mit zwei Verstärkerausgang 58 sollen nur dann Schwingungen Anschlüssen für die Basen versehen ist und zwischen 40 auftreten, wenn ein auf einen' Widerstand 51 im diesen einen verteilten Widerstand bildet und wobei Rückkopplungsnetzwerk 54 einwirkendes Eingangsweiter zwischen dem Emitter und dem Anschluß einer signal einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Basis eine in Sperrichtung des p-n-Übergangs gepolte Hierzu besteht das Rückkopplungsnetzwerk 54 aus Sperrspannung angelegt ist (französische Patentschrift einem T-Glied mit einem verteilten Längswiderstand Q 1186 610). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, 45 und einer verteilten Ableitungskapazität, an der über einen als i?C-Oszillator ausgebildeten Initiator zu eine Leitung 53 der andererseits an Erde 52 liegende schaffen, der hinsichtlich seines Rückkopplungsnetz- verstellbare Widerstand 51 oder eine andere Impedanz Werkes einfach aufgebaut und zumindest teilweise angeschlossen ist. Der Widerstandswert des Widernach Art integrierter Halbleiterschaltungen herstell- . stands 51 ist abhängig von mindestens einer physibar ist. ' 5° kaiischen Eingangsgröße, beispielsweise von einem

Die Aufgabe wird bei einem Initiator der eingangs Abstand, einem elektrischen Potential, einer Tempegenannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ratur, einer Lichtintensität, einer Strahlungsintensität das T-Glied ein Halbleiterelement mit einem p-n-Über- -. oder der Intensität eines Magnetfeldes, und zwar vergäng aufweist, daß die p-Schicht des Halbleiter- ringert sich der Widerstandswert im allgemeinen beim elements schwach dotiert ist, mit zwei Anschlüssen 55 Ansteigen einer solchen Größe. Als Widerstand komversehen ist und zwischen diesen den verteilten - men je nach Art der physikalischen Eingangsgröße Längswiderstand bildet, daß die η-Schicht des Halb- beispielsweise ein mechanisch verstelltes Potentiometer, leiterelements stark dotiert und mit einer Kontaktie- ein Transistor, ein Heißleiterwiderstand, eine Selenrung versehen ist, die als Anschluß der von dem zelle, ein Strahlungsdetektor oder ein· magnetfeldp-n-Übergang gebildeten Ableitungskapazität dient, 60 abhängiger Widerstand in Frage,
daß zwischen einem Anschluß der p-Schicht und der Gewünschtenfalls .kann in Reihe mit dem Wider-

Kontaktierung der η-Schicht eine in Sperrichtung stand 51 ein nicht gezeigter, linear verstellbarer des p-n-übergangs gepolte Sperrspannung angelegt Präzisionswiderstand liegen, um eine Gesamtimpedanz ist und daß an die Kontaktierung eine in Abhängigkeit erforderlicher Größe einstellen zu können,
von einer physikalischen Eingangsgröße, wie Tempe- 65 Das Rückkopplungsnetzwerk 54 der Fig. 1 ist in ratur oder Strahlungsintensität, veränderliche Impe- F i g. 2 genauer dargestellt. Es umfaßt uW\-O\\ta danz angeschlossen ist, die in Reihe mit der Ablcitungs- mit einem Halbleiterelement 10, das einen p-n-Überkapa/.ität einen Querzweig des T-Glicds bildet und gang 9 aufweist. Die p-Schicht 11 ist schwach, die

η-Schicht 12 stark dotiert. Die p_TSchicht 11 ist mit zwei Anschlüssen 13, 14 versehen, die über eine Leitung 18 mit einem Eingangsanschluß 17 bzw. über eine Leitung 19 mit einem Ausgangsanschluß 20 verbunden sind. Zwischen den Anschlüssen 13, 14 bildet die p-Schicht 11 einen verteilten Längswiderstand. Die n-Schicht 12 ist mit einer Kontaktierung 15 versehen, die als Anschluß der von dem p-n-Übergang 9 gebildeten. Ableitungskapazität dient. An die Kontaktierung 15 ist eine veränderliche Impedanz in Form eines veränderlichen Widerstands 16 angeschlossen, die dem Widerstand 51 in F i g. 1 sowie einem gegebenenfalls mit diesem in Reihe geschalteten Präzisionswiderstand entspricht. Der freie Anschluß des Widerstands 16 ist mit einer Leitung 23 verbunden, die an Klemmen 22, 24 endet. .

Die Kontaktierung 15 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte in der Figur untere. Fläche der n-Schicht 12.

An den p-n-Übergang 9 ist mittels einer Batterie 21 eine Sperrspannung angelegt. Die Batterie 21 speist

β = Sech (1 + J)

ein Potentiometer 35, dessen Schleifer 36 über einen hochohmigen Widerstand 37 mit der Leitung 19 verbunden ist, während der am Pluspol der Batterie 21 liegende Anschluß an der Leitung 23 liegt. Die Wahl der Sperrspannung ermöglicht es, die Dicke der am p-n-Übergang 9 gebildeten, von Majoritätsträgern entblößten Grenzschicht und damit den Betrag der Ableitungskapazität richtig zu bestimmen. Sind r der verteilte Widerstand pro Einheitslänge

ίο zwischen den Anschlüssen 13, 14, c die verteilte Ableitungskapazität pro Längeneinheit, L der Abstand der Anschlüsse 13, 14, R der Widerstandswert des Widerstands 16 und ω die Kreisfrequenz eines an den Klemmen 17, 22 angelegten Signals und wird weiter gesetzt :■.■■■■-■■.-.. .·.-.-. ,■■·■.■■■■■ .. . ■ ■.·.:■■■■ ■·■■.■ . ·■

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so wird die Dämpfung β des Rückkopplungsnetzao werkes mit guter Näherung von folgender Formel gegeben:

1-Sech Ul+ j)

1 + Oi

Diese Dämpfung ist, in db ausgedrückt, immer größer als Null. Der Widerstandswert des Widerstands 16 wird möglichst größer als 1OrL gewählt, um die Verlustleitung in dem Halbleiterelement 10 -zu--be-" grenzen. λ .' -■■■' ■ ■ ■" "■■■·. ^! .-■■■'.

Bezeichnet man mit α und b den Real- bzw. Imaginärteil der Dämpfung/?, so ergibt sich die Phasenverschiebung Φ des Rückkopplungsnetzwerkes zu

Φ = arctan — .7

Die Dämpfung des Rückkopplungsnetzwerkes bei einer bestimmten Ausführungsform und demgemäß festgelegtem Wert VOn-Co₁ ist in F i g. 3 in Abhängigkeit von der normierten Eingangs-Kreisfrequenz aufgetragen. Es ist erkennbar, daß sich das Rückkopplungsnetzwerk wie ein engbandiges Sperrfilter verhält. . ■■....

Damit der in F i g. 1 dargestellte Initiator als Oszillator zu schwingen anfangen kann, muß bekanntlich die Bedingung erfüllt sein

-ßK-1,

wobei ß, wie erwähnt, die Dämpfung des Rückkopplungsnetzwerkes 54 und K den betragsmäßigen Wert der Verstärkung des Verstärkers 55 bezeichnen und wobei angenommen ist, daß der Verstärker 55 eine Phasenverschiebung von-180° erzeugt. Die Bedingung erfordert neben einem genügend hohen Wert K, daß die Phasenverschiebung π des Rückkopplungsnetzwerkes 54 ebenfalls 180° beträgt. Ein genübend hoher Wert von K liegt dann vor, wenn K

wesentlich größer als -_— ist, wobei/3,,die Dämpfung des Rückkopplungsnetzwerkes 54 in dem Fall bezeichnet, daß dessen Phasenverschiebung π ist. Daß bei der bereits der Fig. 3 zugrunde gelegten Ausführungsform eine Phasenverschiebung von 180° erreicht werden kann, zeigt Fig. 4. Es ist erkennbar, daß bei der besonderen Ausführungsform α = -^₅- größer als

17,8 sein muß, um eine Phasenverschiebung von 180° zu erreichen und damit eine Oszillation zu ermöglichen, i - ^; -

Bei genügend hohem Widerstandswert R des veränderlichen Widerstands 16 kann daher immer erreicht werden, daß unabhängig von der Größe der Verstärkung K des Verstärkers 55 Schwingungen verhindert werden. Andererseits setzen bei Verringerung des Widerstandswerts R Schwingungen dann ein, wenn der Wert « = 17,8 überschritten wird.

Daß bei den genannten Mihdestwerten Ka. tatsächlich eine Schwingung aufrechterhalten werden kann, ist an Hand des Nyquist-Kriteriums nachprüfbar, wonach in der Ortskurvenebene — β Κ den kritischen Punkt (1,./O) umschließt.

Die Frequenzstabilität eines Oszillators ist definiert als

SV=

wobei Φ die Phasenverschiebung und co₀ eine mittlere Frequenz des Oszillators bezeichnen. Die ^requenzstabilität gibt die Steigung der Kurve der Phasenverschiebung bei aufgeschnittener Schleife in Abhängigkeit von der normierten Frequenz eines Eingangssignals an. Erzeugt das Rückkopplungsnetzwerk bei einer geringen Frequenzänderung eine sehr große Phasenverschiebung, so ist S/ groß. Dies ist folgendermaßen zu erklären: Eine von einer Phasenverschiebung

begleitete Frequenzverschiebung des Verstärkers 55, die beispielsweise von temperaturbedingten Änderungen des Frequenzverhaltens von Schaltungselementen dieses Verstärkers herrührt, kann durch eine Änderung der Phasenverschiebung des Rückkopplungsnetzwerkes 54 kompensiert werden, die so groß sein muß, daß die gesamte Phasenverschiebung der Schleife praktisch konstant bleibt. Andernfalls würden die Oszillatorschwingungen erlöschen. Eine Kompensation unter sehr geringer Änderung der Oszillatorfrequenz ist dann möglich, wenn die Steigung der Kurve der Phasenverschiebung des Rückkopplungsnetzwerkes in Abhängigkeit von der Frequenz groß ist.

Der qualitative Verlauf der Differenz ΔΦ zwischen der jeweiligen Gesamtphasenverschiebung einer Ausführungsform des Oszillators und dessen Gesamtphasenverschiebung bei der mittleren Kreisfrequenz ω₀ ist in F i g. 5 in Abhängigkeit von der normierten Oszillatorfrequenz dargestellt. Die Ausführungsform des Oszillators ist gebildet unter Verwendung der den F i g. 3 und 4 zugrunde liegenden Ausführungsform des Rückkopplungsnetzwerkes. Dabei ergab sich experimentell der Zusammenhang ω₀ = 5,5951 ω_ν

Die in F i g. 5 strichpunktiert eingetragene, senkrechte Gerade deutet den idealen Verlauf der Kurve ΔΦ in der Umgebung der mittleren Oszillatorfrequenz ω₀ an, bei dem sich eine unendliche Frequenzstabilität ergäbe.

Aus F j g. 4 ist noch ersichtlich, daß der Kurvenverlauf der Phasenverschiebung Φ des Rückkopplungsnetzwerkes 54 für den Wert tx = 17,8 eine Diskontinuität aufweist und dabei 180° durchläuft. Daher kann sich die Frequenzstabilität des unter Verwendung eines so ausgebildeten Rückkopplungsnetzwerkes aufgebauten Oszillators dem Wert Unendlich nähern. Allerdings muß dann die Verstärkung K des Verstärkers 55 sehr groß werden, da das Rückkopplungsnetzwerk 54 bei derjenigen Frequenz, bei der die Diskontinuität auftritt, gemäß F i g. 3 am stärksten dämpfend wirkt, und da immer die erwähnte Bedingung — β Κ = 1 erfüllt bleiben muß. So erreicht beispielsweise die Dämpfung β gemäß F i g. 3 bei einem Wert tx — 17,8 den Wert —102 db. Entsprechend muß die Verstärkung K des Verstärkers 55 größer als db gewählt werden. Es ergibt sich hierbei für die besondere Ausführungsform eine Frequenzstabilität S/^ 1150. . ; . . ■. -Ay- ■

In der Praxis wird vorzugsweise bei Werten pberhalb von κ = 17,8 gearbeitet, um eine noch genügende Rückkopplungswirkung zu erzielen. Trotzdem kann dabei eine Frequenzstabilität beliebig hoch gewählt werden, indem ein Verstärker mit entsprechend großer Verstärkung K verwendet wird.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Als /ZC-Oszillator ausgebildeter Initiator, umfassend einen Verstärker und ein Rückkopplungsnetzwerk mit einem einen verteilten Längswiderstand und eine verteilte Ableitungskapazität aufweisenden T-Glied, dadurch gekennzeichnet, daß das T-Glied ein Halbleiterelement mit einem p-n-Übergang (9) aufweist, daß die p-Schicht (11) des Halbleiterelements schwach dotiert ist, mit zwei Anschlüssen (13,14) versehen ist und zwischen diesen den verteilten Längswiderstand bildet, daß die n-Schicht (12) des Halbleiterelements stark dotiert und mit einer Kontaktierung (15) versehen ist, die als Anschluß der von dem p-n-Ubergang (9) gebildeten Ableitungskapazität dient, daß zwischen einem Anschluß (14) der p-Schicht (11) und der Kontaktierurig (15) der n-Schicht (12) eine in Sperrichtung des p-n-Übergangs (9) gepolte Sperrspannung angelegt ist und daß an die Kontaktierung (15) eine in Abhängigkeit von einer physikalischen Eingangsgröße, wie Temperatur oder Strahlungsintensität, veränderliche Impedanz (16) angeschlossen ist, die in Reihe mit der Ableitungskapazität einen Querzweig des T-Glieds bildet und deren maximaler Wert so groß ist, daß nur bei Verringerung ihres Wertes unter einen einem Schwellwert der Eingangsgröße entsprechenden Wert Oszillatorschwingungen auftreten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen