DE1541404A1

DE1541404A1 - Oszillatorschaltung

Info

Publication number: DE1541404A1
Application number: DE19661541404
Authority: DE
Inventors: Harper Leonard Roy
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-10-21
Filing date: 1966-10-11
Publication date: 1969-07-24
Also published as: US3350662A; FR1497333A; GB1088968A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E. BÖHMER

703 BÖBLINGEN SINDELFINGER 8TRA8SE 49

FERNSPRECHER (07031) 6613040 «J J- / Λ / rt/

Böblingen, den ^O. 9· 1966 gg-he

Anmelderin: "■ International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 1.0 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen d. Anmelderin: Docket 18 261

Oszillatorschaltung

Die Erfindung betrifft eine Oszillatorschaltung bestehend aus Transistorstufe mit frequenzbestimmendem Clement im Rückkopplungskreis.

Es ist eine große Zahl derartiger Oszillatorschaltungen bekannt. Diese bekannten Oszillatorschaltungen haben den Nachteil, daß die Oszillatorfrequenz gewissen Schwankungen unterliegt. Diese FrequenzSchwankungen werden durch die Eigenkapazitäten des Transistors bewirkt, die sich in Abhängigkeit von der Betriebsspannung und der Umgebungstemperatur verändern. Die Eigenkapazitäten werden von den PN-Übergängen des Transistors gebildet. Die Breite eines PN-Überganges verändert sich mit der daran anliegenden Spannung und dem durchfließenden Strom. Die dadurch bewirkten Schwankungen vergrößern sich mit der Betriebsfrequenz der Schaltung.

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Es ist das Ziel der Erfindung, eine Oszillatorschaltung anzugeben , die trotz Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Betriebsspannung eine konstante Frequenz erzeugt. . . .-' .

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß den Eigenkapazitäten des Transistors im Verhältnis zu diesen große Kapazitäten parallel ,geschaltet sind, während das frequenzbestimmende Element auf nur geringe Kapazitäten arbeitet. '

Diese Maßnahmen bewirken, daß die veränderlichen Eigenkapazitäten des Transistors nur unwesentlich in die Schaltung eingehen und damit die Oszillatorfrequenz nicht beeinflussen können.

Insbesondere wird vorgeschlagen, daß der Kollektor-Emitterstrecke und der Basis-Emitterstrecke Kapazitäten parallel geschaltet sind und

mit

das frequenzbestimmende Element in Reihe einer verhältnismäßig kleinen Kapazität zwischen Kollektor und Basis des Transistors liegt.

Auf diese Weise wird ein Schwingkreis gebildet, bei dem das frequenzbestimmende Element in Parallelresonanz schwingt.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß als Oszillatorausgang die Verbindungsstelle zwischen frequenzbestimmendem Element und in Reihe liegender Kapazität gewählt ist. - ;

Auf diese Weise liegt am Ausgang eine verhältnismäßig hohe ..Schwing-Docket 18 261 . . , .;...;

amplitude. Wird weiterhin dieser Oszillatorausgang mit dem Eingang einer durch die Schwingamplitude in Sättigung gesteuerten Transistorstufe verbunden, so erhält man auf einfache Weise einen Rechteckwellengenerator .

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines Rechteckwellengenerators, bei dem die

Erfindung verwirklicht ist und
Fig. 2 den Schwingungsverlauf an mehreren Stellen der Schaltung.

Der Transistor 10 und die zugehörige Schaltung bilden einen Oszillator, dessen Frequenz durch ein frequenzbestimmendes Element 20 festgelegt ist. Der Oszillatorausgang liegt am Punkt A, an dem die höchste Schwingamplitude auftritt, und ist mit dem Eingang eines Verstärkerkreises 30 verbunden. Die dem Verstärkerkreis j50 zugeführte Schwingamplitude reicht aus, um den Transistor in die Sättigung zu steuern, so daß an der Ausgangsklemme 40 Rechteckimpulse erzeugt werden.

Der Transistor 10 wird in Emitterschaltung betrieben. Sein Kollektor liegt über eine Drossel 12 und einen Widerstand 14 an einer geeigneten Betriebsspannung V-, die beispielsweise +6 Volt beträgt. Das frequenzbestimmende Element 20 kann beispielsweise ein piezoelektrischer Kristall sein. Dieser Kristall liegt mit einem Anschluß an der Basis und mit dem anderen Anschluß über eine kleine Kapazität 22 am

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Kollektor des Transistors 10. Zur Verminderung bzw. Vermeidung der durch Schwankungen der Betriebsspannung und der Umgebungstemperatur hervorgerufenen Einflüsse der Eigenkapazitäten des Transistors 10 sind die Kapazitäten 18 und 24 vorgesehen. Diese Kapazitäten sind wesentlich größer als die zugeordneten Eigenkapazitäten des Transistors gewählt, so daß deren Einfluß ausgeschaltet wird. Die verhältnismässig großen, parallelgeschalteten Kapazitäten machen zwar die Eigenkapazitäten des Transistors unwirksam aber sie bringen auch.die Schwierigkeit mit sich, daß sich die Impedanz, auf die der Kristall arbeitet, nur sehr schwer anpassen läßt. Dieses Problem läßt sich jedoch dadurch lösen, daß verhältnismäßig kleine Kapazitäten 22 und 28 vorgesehen werden, auf die der Kristall arbeitet. Auf diese Welse wird die Rückkopplung des Kristalls besser an die Impedanz der Basis angepaßt, da diese Impedanz dadurch im wesentlichen kapazitiv 1st. Die Kopplung des Oszillatorausganges A an den Eingang der Verstärkerstufe 30 ecfolgt Über die Kapazität 28, Die Schwingamplitude am Oszillatorausgang A ist wesentlich höher als die Betriebsspannung und wird zum großen Teil von der Kollektorkapazität und ihrem Verhältnis zur Kapazität am Oszillatorausgang A bestimmt. Die große Schwingamplitude am Oszialltorausgang A Übersteuert die Verstärkerstufe 30, so daß das Signal an der Ausgangsklemme 40 über einen weiten Bereich der Betriebsspannung und Temperatur konstant bleibt.

Sobald die Schaltung an Spannung gelegt wird, wird der Transistor 10 leitend und der Einschaltstromstoß erregt den aus dem Kristall 20 und der zugeordneten Kapazität bestehenden Schwingkreis, so daß der Basis

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des· Transistors 10 eine Sinusschwingung zugeführt wird. Die Widerstände 14 und 16 legen einen geeigneten Arbeitspunkt des Transistors 10 fest. Die Induktivität der Drossel 12 ist so gewählt, daß die Impedanz des Kollektors des Transistors 10 wechselstrommäßig keinen Nebenschluß zur Kapazität 24 bildet. Die Kapazität 24 ist so groß wie möglich gewählt ohne den Kollektor des Transistors 10 allzusehr aufzuladen.

Die Kapazität 24 liegt tatsächlich parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors, da die Querkapazität 26 für die Oszillatorfrequenz keinen Widerstand darstellt. Aus diesem Grunde kann das obere Ende (Pig. 1) der Kapazität 24 an das Bezugspotential gelegt werden, ohne die Punktion der Schaltung zu beeinflussen.

Wie in Fig. 2 dargestellt liegt an der Basis des Transistors 10 eine Sinusschwingung, die mit entsprechend vergrößerter Amplitude auch am Oszillatorausgang A vorhanden ist. Die Rückkopplungsschleife be-

. steht aus den Kapazitäten 18, 22 und 24 und dem Kristall 20. Der Rttekkopplungsfaktor ist so gewählt, daß die Schwingungen aufrechterhalten, bleiben· Der in der Schaltung das frequenzbestimmende Element darstellende Kristall schwingt in Parallelresonanz. Bei Frequenzen über und unter der Resonanzfrequenz vermindert sich die Impedanz des Kri-

« stalls und verringert dadurch den Rüokkopplungsfaktor, ßoÄaß nur eine Schwingung mit der der Parallelresonanz entsprechenden Frequenz erregt' wird. Wie bereits ausgeführt, bestimmt die Kollektorkapazität und ihr Verhältnis aur Kapazität am Oszillatorausgang die Schwing-

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amplitude am Oszillatorausgang· Diese Amplitude ist um mehrere Faktoren größer als der Wert der Betriebsspannung V-.

Die der Basis des Transistors 30 zugeführte Spannung treibt den Tran-

sistor während der positiven Halbwelle in die Sättigung. Die negative Halbwelle wird von der Basis des Tansistors 30 abgeleitet, sobald die Diode 32 leitend wird. Dieser Zuäknd tritt ein, wenn die über den Widerstand 34 zugeführte" Spannung gleich der Eingangsspannung ist. Die Größe des Widerstandes 34 wird normalerweise so gewählt, daß die am Kollektor des Transistors 30 und damit an der Ausgangsklemme 40 anliegende Signalspannung symmetrisch zur Null-Achse ist. Eine unsymmetrische Wellenform erhält man durch Änderung des Widerstandes 34.

Für eine spezielle Ausführung der in Fig. 1 dargestellten Oszillatorschaltung wurde folgende Dimensionierung gewählt:

Widerstand 14 470

Widerstand 16 43

Widerstand 34 2,2

Drossel 12 56

Kapazität 18 2 pF

Kapazität 22 33 pF Kapazität 24 200 pF

Kapazität 26 4,7^₄F

Kapazität 28 33 pF

V₁ +6 Volt

V₂ . +3 Volt

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Bei Verwendung eines gängigen Transistortyps erzeugt diese Schaltung eine Frequenz von 4 MHz. Lediglich durch Austausch des Schwingkristalls arbeitet diese Schaltung in einem Frequenzbereich zwischen 2 und 10 MHz zufriedenstellend. Bei einer Betriebsspannung von 6 Volt beträgt die Spitze-Spitze-Spannung am Oszillatorausgang A J55 bis 70 Volt, abhängig von der Frequenz und der QUte des Schwingkristalls. Am Ausgang ergibt sich eine Rechteckwelle mit einer Spitze-Spitze-Spannung von 2,7 Volt und einer maximalen Anstiegszeit von 10 nsek. Außerdem hat sieh gezeigt, daß die Betriebsspannung bis auf 1 Volt vermindert werden kann, ohne die Ausgangsspannung oder die Frequenz wesentlich zu beeinflussen. Weiterhin ergibt eine Änderung der Temperatur zwischen 10⁰C und 55°C lediglich eine Frequenzabweichung von 60 bis 70 Hz und diese Frequenzabweichung ist fast vollständig auf die Änderung der Resonanzfrequenz des Kristalls zurückzuführen.

Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung erzeugt damit eine außerordentlich konstante Ausgangsspannung trotz großer Schwankungen der Betriebsspannung und der Umgebungstemperatur.

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Claims

Patentansprüche

1. Oszillatorschaltung bestehend aus Transistorstufe mit frequenzbestimmendem Element im Rückkopplungskreis, dadurch gekennzeichnet, daß den Eigenkapazitäten des Transistors im Verhältnis zu diesen große Kapazitäten parallel geschaltet sind während das frequenzbestimmende Element auf nur geringe Kapazitäten arbeitet.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Emitter-Strecke und der Basis-Emitter-Strecke Kapazitäten parallel geschaltet sind und das frequenzbestimmende Element in Reihe mit einer verhältnismäßig kleinen Kapazität zwischen Kollektor und Basis des Transistors liegt.

^. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Oszillatorausgang die Verbindungsstelle zwischen frequenzbestimmendem Element und in Reihe liegender Kapazität gewählt ist.

4. Oszillatorschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillatorausgang mit dem Eingang einer durch die Schwingamplituden in Sättigung gesteuerten Transistorstufe verbunden ist.

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