DE1591332A1 - Oszillatorschaltung fuer elektrische Ultrahochfrequenzschwingungen - Google Patents

Description

Akte: EHN- 1969 PHN, 106 9.

Anmeldung vom» -j-j_e September 1967 Uo/KN.

"Oszillatorschaltune fUr elektrische Ultrahoch- fraguenzschwinKungen"»

Die Erfindung betrifft ein* Gszillatoraohaltung für elektrische Ultrahochfrequenzschwingungen mit einem Traneistor in Basisschaltung mit Kollektor-, Emitter- und Basiselektroden und eintn abetimmbaren Hohlraumresonator an desstn Wand eine durch «ine veränderliche Kapazität belastete Innenleitung angeschlossen isti vtobei die Bfciirelektrode wecheelatrommaesig mit der **nd dee R*ton&torn und die Kollektorelektrode mit der Innenleitung verbunden tut, und eine Rückkopplung sowohl Über eino kapazitive heftktnnz zwiac V on Kullektorelektrode und Emitterelektrode, «el^he kapazitive Rr-i.k+.ariz getjefcenejifallfl ΙκΗκΙϊτϊ. durch

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die innere Kollektor-kmitterkapezit&t des Transistors gebildet werden kann, als auch ^rlber eine induktiv mit des Hihlraumresonator gekoppelte Kopplungsschleife vorhanden ist, von der weri£- ster.s 9in Teil parallel zur Innenleitung verläuft ard die für Wechselstrom einerseits mit der Wand des Resonators und andererseits mit der Emitterelektrode verbunden ist»

Solohe Öse illatorschaltungen werd-sn z,3. in Ultrahochfreiuenz-Abstimmeinheiten eines Fernsehempfängers benutzt, wobe\ der Oszillator in einem Frequenzbereich von 5CO bis 10U0 UHz abstimmbar sein soll, üne wesentliche Schwierigkeit bei • dieser Art von Oszillatorschaltungen ist die, dass der Stromverst.ärkUngafaktor α des Transistor:*, der auch die Oezil lationsbedingungen mit bestimmt, komplex ist, so daps beim Entwurf der Schaltungsanordnung di^se komplexe Art des Stri-inverstiirkungsfaktore berücksichtigt »erder, nuss.

In der vorstehend beschrielenen üszillatorachaltung wird der Transistor um die sogenannte Abschnittirequer.z betrieben, wo die Phasendrehung drs ütromverstarkungafaktoro f^fir den ganzen Abstimmbereich des Oszillator? um 90 liegt. Die« bringt mit sich, dass bei der Herstellung der Schaltung der verwendete Transistor derart selektiert werden iuuhs, dass die iha-ienJrehung des Stromverctürkuugafak tor.- in der. ganz:·η Fr«rjuen.',tfr»j; c*h nicht zu stark von 90 abweicht.

Mr. zweiter dem tvknnnten UHF-ü^yil in* τ^ι hül tunc-Jn ^! nl tif tt-n ItT l«fu:hteil I- *■·.«t *» h t- Ιμ'.π, Ana ι di>» Strpu*r i'ik tanz .ic»r

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rg St*·ί«ε ü.wir.gungen nit einer Frequenz fiter dem eiger.tli<*ht~. αϊ-titulier^ich des C^ziliatore mit Pich bringen k%r«r._# z'.B. t«-i if»G2 Uf 2OCG KHz.

tie Lrfincune· beiweckt, eine Schal t-a ^jciUf-rhi η. \fi. ier 4 ie t»r»alnten E+reu^ck*ir.gunjrer. -..literir'ick* »erden» und aueeerden die durch den Stronversterkicjs-faktci tt «"* - ""rariEiftors hervorgerufene Phasendrehung derart in <ilhllr^i£kei* vor. der Frequpnz a isgeglic'pn wird, dars d€ r Linflusp dee koaiplcxi*n Strooverstärkungsfaktcrs auf die »irkune der ^nordr-uiie erheblich veningert *ird, eodasf bei der Herstellung cie vorerwähnte Schwierigkeit der Selektion wesentlich ri«.ratgtr.indert wird, üie Oßi-illatcrschaltunfjsanordnung nach der r-i-i'indsiiig i£t dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung snhleife einen ctnss-chen *iderrtand enthält,und daßß die bndei. der Koi-FlungFsckleife derart an die hand des Resonators und an die fcEitterelefctrode dee Tranristors angpschloßpen eind, dass die hiehtun£" des- tetrfffenden Teil;? der Kopplungsschleifβ von ders Anschluss an die *&i»d bis zum Anschluss an die Emitterelektrode gleich der Richtung dc-r Innenleitung von den; Anschluss ar. die *ar.i tis su der veränderlichen Kapazität ist.

Ea Fei bemerkt, daee βε an eich bekannt ist, in eintr Oßri]Ia»riEchaltuneHanordhung mit konzentrierten Kreieelementen cie Frequenznbhflr^ ige thaHendrehung dee Transit⁵ tore durch ten+ioKte MaeEnahmen zu kompenr ieren. Diese MaBBnahinen bestehen aus der Aufnahme eines *iderst£ndt'8 und eir.fß Konden-

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satnrc in den Resonanzkreis, dfr an die Kollektorelektro.le ange-"pchlossen ist, und darin, dass die tiber diesem Widerstand und diesem Kondensator auftretende Spannung der rtickzukoppelnden Spannung zugeordnet wird. Diese bekannten Kaesnahmen lassen eich jedoch bei einer Schaltungsanordnung mit verteilten Induktivitäten und Kapazitäten, wie bei einer Schaltungsanordnung mit firera Hohlraumresonator nur schwer durchführen. Die Erfindung hingegen schafft eehr einfach durchführbare Massnahmen, um bei einer Oszillatorschaltung mit Hohlraumresonator die erwShnte Kompensation der Phasendrehung des Transistors herbeizuführen.

I>ie Erfindung *ird an Hand der Figuren der Zeichnung nfiher erläutert. Le zeigen dabei die Figuren 1, 2 und 5, komplexe Diagramme zur Erläuterung der .Erfindung.

Fig. 3a zeigt eine bekannte ÜHzillatorcchaltungsfanordnung und Fig.5b das fcrsatzschaltbild derselben.

i'ig. 4a zeigt eine Üszil latorechaltung nach der Lrfindung, und

Fig. 4b zeigt deren Ureatzschaltbild.

iis kann nachgewiesen werden, dase für tine Oezil ^torschaltung mit einem Transistor in Basisschaltung die nachfolgende üsxillationsbedingung annäherungsweise zutriffti

aY_f - g₀ (1 ♦ J β ft) (I)

.dabei sind g , Q und β die Kcnduktanz, der Qualität«faktor, bzw. die Verstimmung des an die Kollektorelektrode angeschlossenen l'eponarzkreiees, wott^ji die Ausg-angEimpedün?: des rückgekoppelten

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Transistors mit berücksichtigt ist! α iat der StrcnveratSrkungefaktor8 dee Transistors} Y_f iet die Rückkopplungsadsittanz d.h. der Quotient den Ober den P.Uckkopplungsweg dem Emitter zugeführten Strome geteilt durch die diesen Strom erzeugende Kollektorsparnung.

In dem komplexen Diagramm nach Fig. 1 ist die erwähnte üazillationsbedingung veranschaulicht. Tn dieser Figur iet durch die Linie A dan rechte Glied der Gleichung (t) als Furktion der Verstimmung β angegeben. Das linke Glied wird durch den Vektcr «Y_f angedeutet, der di« Grosse und die P>bse df Prrduktes «Y- darstellt. Wer." der Endpunkt Avs Vektors «Y_f auf der Linie A oder rechta von diener Linie liegt, oszilliert die Schaltung . Wenn der Endpunkt des Vektor3 ·Υ~ links von der Linie A liegt, ißt der Oszillator nicht wirksam. Aus dieser Figur iat deutlich ersichtlich, dass ei nicht nur von Bedeutung iat, dass die Amplitude dee Stromvergtlrkungafaktora « und dio der HUckkopplungeadmittanz Y- hinreichend groea oein sollen um Oszillation der Schaltung zu gewährleisten, sondern auch daee dl· Phaie des Produktes aY_f nicht zu stark von 0 abweichen darf. Wenn die Phaio «Y_f tu fltark von 0° abweicht, mUnsen die Araplituden von α und Y- sehr croie gewählt werden, um dio Sohaltung Oitillleren su Xueoen, wHtrend wenn diese Phase 90° oder mehr Wtrlft Oezillation durchaus auigesohlotsen iet.

¥ig, 2 zeigt das komplexe Diagramm dce Stromverm nlnei Tranelntors in Baaioiohftltung ule

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Punktion der Frequenz. Αιαε dieser ifigur ergibt sich das» die . Amplitude von α mit zunehmender frequenz abnimmt, während die Phase von α mit zunehmender Frequenz im negativen Sirno zunimmt. Mit f ist die Abachnlttfrequenz angedeutet, d.h.> die Frequenz bei der die Amplitude von α um 3 dB abgenommen hat.

Fig. 3a zeigt eine bekannte UHF-Oszillatorschaltun^, die einen Hohlraumresonator 1 mit Innenleitung L. enthalt. Die Innenleitung ist einerseits an die Aand des Hohlraumresonator angeschlossen und andererseits mit einer veränderlichen Kapazität C belastet, die zur Abstimmung des Oszillators auf die erwilnschte Frequenz dient, und die gegebenenfalls durch eine Spannungsubhängige Kapazität gebildet »erden kann. Weiterhin enthalt die Schaltung einen Transistor 2, dessen Basiselektrode an die Aand dee Resonators angeschlossen ist, während •ine Kollektorelektrode mit der Innenleitung L. verbunden ist. Die erforderliche Rückkopplung zwischen Kollektor und Emitter wird in zweierlei Weise zustande gebracht. Rückkopplung erfolgt einerseits über eine zwischen kollektor und Emitter vorgesehene Kapazität C , die gegebenenfalls nur durch die innere Emltter-Kollektor-KapazitÄt des Transistors 2 gebildet werden kann. Andererseits erfolgt Rückkopplung Über eine Kopplungsfchleife JIo von der Emitterelektrode ausserhalb des f'ohlrauaresonators an eine Oeff'nung 3 in der Wand des Resonators geführt wird, und Über einen Teil L,,, der parallel zur Lnnenleitung L. verläuft, an die Wand di>s Resonators ungearhLis

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int. E- eei bener-l-t, dass einfachheitshalber die ~chalteleniente, weich** zur üleichrtrornvtreorfunf des Transistors und zur Ai,skopx"lung der (.ßzillatorspannung dienen, nicht angedeutet sind.

l· x£. 5b zeigt das Ereatzp-'hel tbild der Schaltung nach Fig.Ja, wobei entsprechenie Schaltungselemente mit entsprechenden Bezugszeichen angedeutet sind. Ua nach Fig.3a die Richtung des Teiles L_? der KoppIungsRChleife von dem AnBChlus6 an die Wand des Resonators her zum Anschlug β an die Linitterelektrode der Richtung der Innenleitung L. von dem Anschluss an die Wand-her zur veränderlichen-Kapazität enti^feng-csetζt ist, ist die induktive Kojrlung zwischen L. und L, negativ. Dier ist in Fif. Jb mit - M angedeutet.

Aur drm brsetzechaltbild von Fig. Jt ergibt eich, dfpp bei VornachlUrsigung der Lingangεimpedanz des Transistors irA Vf i vcrhilltni t?ir.äi-sig· geringer induktiven Kopplung K der Laitterstiom i flpich:

Datei ist u die Kollektorepannung und u. die Kreisfrequenz, n.it df«r die Schaltung oszilliert. Aus dieser Gleichung ergibt sich,

dasn iUr ni( Kückkopjlungsadmittanz y_f « gilt«

^uc

Y_f - i — - u, c (H)

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Aus Vorstehendem folgt, dass die Rückkopplung über die -KojplungBschleife

\^uL1^L2 )

die kapazitive Ruckkopplung (u'C_) unterstützt, insbesondere hei den niedrigeren Frequenzer des AbstimmberoicheF. Die Phese der Rückkopp]un^'sadicittanz ist dabei st^f>ts + 90 . Da g**mäss Fig. 1 die bchalt'jng nur für diejenigen Frequenzen oszilliert, bei denen die Phase des Produktes oY_f annäherend 0 ist, wird diese bekannte Oßzillatorschaltur.g nur bei denjenigen Frequenzen oszillieren, bei deren die Phase von α um -90° beträgt, /ηιε Fig. 2 folft, da?s dies nur der Fall ist, bei Frequenzen die in der Nahe der Abschnitt.· :equ(?nz f des Transistors liegen. Es sei bemerkt, daee eine UHF-Oezillatorechaltung bei der nur eine kapazitive hU>k~ kopplung (über C_f) durchgeführt wird, auoh bekannt irt. Auch diese Schaltung opzilliert lediglich bei Frequenzen, die in der Nahe der Grenzfrequenz des Tranrittor» liegen.

Ein wesentlicher Kachteil der bekannten Schaltungsanordni ngen, ist der, dass wenn die Grenr.frequenfc de· Transistors tu hoch ist, di« Anordnung nicht mehr oszilliert, wenn auf die niederigeren Frequenzen de· Abetimmbereiches abgestimmt wird. Die in Fig. 4* dargestellte ÜHF-OBzillatorschaltung nach der Erfindung ist in dieser Hineicht wesentlich günstiger, während der Aufbau dieser Anordnung sehr einfach iet.

Die Elemente der Schaltungsanordnung nach Fig 4a, denen der Fig. Ja entsprechen, rind mit den gleichen Bezugs-

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zeichen bezeichnet. Bei dieser Anordnung erfolgt Rückkopplung einerseits über die kppazitive Reaktanz Π zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors und andererseits über eine Kopplungs· schleife die einen parallel zur Tnnenleitung L₁ verlaufenden Teil L„ und einen widerstand von z.B. 330 Ohm enthält. Die Kopplungsschleife ist einerseits an die Emitterelektrode des Transistors 2 angeschlossen und andererseits mit der Wand dea Hohlraumresonators 1 mittels eines Durchführungskondensator» 4 verbunden, sodass die Gleichstromversorgung des Transistors über die Kopplungsschleife erfolgen kann. Da der Teil L_ der kopplungsechleife von dem Durchführungskondensator 4 her zum Emitteranschluss gesehen in der gleichen Richtung verlfiuft wie die Innenleitung L. von dem Anschluss derselben an die Wand zur veränderlichen Kapazität, ist die induktive Kopplung zwischen L. und L- positiv! die· ist in dem Ersatzschaltbild der Hg.4b durch +M angedeutet.

Aue des Ersatzschaltbild nach Fig. 4b lasst sich errechnen das· annäherungsweise für den Eaitterstrom i giltι

i > u

e c ι " ι L₁ (R + JU)L,, <

«odass ftlr die Ktlckkopplungeadmittanz Y_f dieser Schaltung annähe f*ungt«eiee eil ti

^Yf * ^^jCf ⁺ L₁ (R + ji

*'i?,, ^r) »igt das komplexe Dlagrtmm dieser RUckkopplungiadmittanz. .: ^i.j-=--·" Figur ist deutlich ersichtlich, dass die Phas* von sä ξ :.i*ir;?eni*"f Pre^uenz m pcsitlven üinne zunimitit, lin

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.Ph»«« von α gemSse Pig. 2 mit zunehmender Frequenz im negativen Sinne zunimmt, folgt daraus , dass die Phase des Produktes aY_f bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung annäherend konstant ist, und auf etwa 0° in dem ganzen Abstimmbereich des Oezillatore gehalten werden kann. Die ^szillatorschaltung nach Fig. 4a OBzillitrt somit Über einen wesentlich gröeseren Frequenzbereich eodaas das Bedenken, dass die Schaltung bei den niedrigeren Frequenzen dee Abstimmbereiches zu oszillieren aufhört, effektiv beseitigt wird.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltungen

iet der, dass infolge der Streuinduktanz der an die Basiselektrode des Transistors angeschlossenen Leitung der reelle Teil der Eingangsadmittanz des Transistors in dem oberhalb des Ab-;tim«- bfireichee liegenden Frequenzbereich, (z.B. etwa I5OC bis 2000 KHz) negative Werte annehmen kann. Lies ergibt Streuschwingungen mit einer in diesem Bereich liegenden Frequenz. Bei der Schaltungsanordnung r.ach Fig.4a ist der widerstand R über L- zwischen Basis und !mitter des Tranaistore angeschlossen« Der Wideretand 3 ist . somit praktisch parallel zu der negativen Eingangsadmittmz dee Trnr.Bls tOT3, woiur-τί Streuachwi ng'ingen effekt·. unterdr'Jrkt we r-1er.

Es ie! bemerkt, »iaae der Teil L- der Kopp: :· ^.«arhleifs powi» rif^r se^benenfal la In diesem Tei.1 vorhanrieren Wid«;rfl tan.' R ■l'4it. ?.u naha nn der Irintjnlci tung h. angec-dnft wt-rlen 1arf, • K h.itnt. '.' ^ K.-<p{.L.ing M z.» grne wlr-l. fcin-j zu gro?ea Κ-·ρρ] 11' ·» i^h, tiara ι c\- der Wi-Ur^tand R ^'•■ft^ ■· *:**■■ '. t

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PHi; 1969.

·\τ mu:;F, H(I^U".! Λζγ Eriergi ever lust im Widerstand R zu groRS wird, T^her wird vcrzugr-vi * st der ftidera^er.d R nich* zv r.ahe an der Innen] c:⁴ w.r.t, de·· Krhirauinrestnatcr:? angebracht und nicht grSrcer fur etwa SOC Ohm gew'lH*. Ancererseits hat rieh ergeten» da?F bei dt^ üj ticiilwort der Kopplung der lidt'retand R grosser ale 100 Ohm sein must=, .r^r eine hinreichend gute Vi'irkung zu erzielen.

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Claims (2)

PHK 1969. ' [üelegexemplari j -;ίΙΓί nictit geändert werden | Patentansprüche*

1. . üszillatorschaltung für elektrische Ultrahochfrequenz spannungen mit einc-E Transietor in Baeifschal tur.g mit Kollektor-, Emitter- und Basiselektrode und mit einem abetimn;-baren Hohlraumresonator »it einer einerseits an dif Wand des Resonators angeschlossenen und andererseits durch eine veränderliche Kapazität belasteten Innerleitung, wobei die Basiselektrode mit der Wand des Resonators und die Kollektorelektrode mit der Innerleiter verbunden sind, und wobei eine Rückkopplung sowohl über eine kapazitive Beaktenz zwischen Kollektorelelctrode und Emitterelektrode, w eiche kapazitive Reaktanz gegebenenfalls lediglich durch die innere Kollektor-EuitterrKapazitSt des Transietors gebildet werden kann, und andererseits über eine induktiv mit dem Hohlraumresonator gekoppelte Kopplungeschleife vorgesehen ist, von der wenigsten» ein Teil parallel zur Innenleitung verläuft, und welche Kopplungeschleife für Wechselstrom einerseits mit der «and des Resonators und andererseits mit der Emitterelektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsschleife einen ohmschen Widerstand enthält, und daes die Knden der Kopplungeschleife derart an die Wand des Resonators und an die Emitterelektrode des Transistors angeschlossen sind, dass die Richtung dee erwShnten Teilte der Kopplungeschleife von dem Anschluss an die Wand her »um Anschluss an die Emitterelektrode gleich der Richtung der Innenleitunf yon dem Anschluss an die hand rur variabeltn Kapanitit ist.

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2. üszillatorechaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand der Kopplungsschleife aindeeten« 100 OhM und höchstens 500 0ha beträgt.

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