DE1766840B1

DE1766840B1 - Amplitudengeregelter Generator

Info

Publication number: DE1766840B1
Application number: DE19681766840D
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl-Ing Thanhaeuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-07-26
Filing date: 1968-07-26
Publication date: 1971-12-02

Description

Die Erfindung betrifft einen amplitudengeregelten Generator unter Verwendung eines dreipoligen Halbleiter-Verstärkerelementes in einer quarzstabilisierten Colpittschaltung, in der die Steuerelektrode mit dem Anfang eines kapazitiven Spannungsteilers, dessen Ende zusammen mit der Ausgangselektrode des aktiven Elementes vorzugsweise geerdet ist, verbunden ist, in der weiterhin der Quarz dem kapazitiven Spannungsteiler parallel geschaltet ist, dessen Abgriff mit der Eingangselektrode des aktiven Elements verbunden ist, in der ferner ein an der Betriebsspannung liegender ohmscher Spannungsteiler vorhanden ist, dessen Abgriff mit der Steuerelektrode des Halbleiterelements verbunden ist.
In der französischen Patentschrift 1509 748 wird ein Transistoroszillator herkömmlicher Art beschrieben, wobei eine Gegenkopplung vom Kollektor des Transistors T l, der als Transistoroszillator arbeitet, auf die Basis des Transistors T2 erfolgt. Der Transistor T2 wird als Konstantstromquelle, die den Emitterstrom für den Transistor T1 liefert, verwendet.
Beim Anschwingen läuft der Oszillator in die Sättigung, da nicht die Verstärkung des Transistors T1 herabgesetzt wird, weil durch die Gegenkopplung über den Kondensator C3 das Verhältnis Eingangsstrom zu Rückkopplungsstrom stets gleich bleibt. Eine Verringerung der Verstärkung im Transistoroszillator T1 wäre hier sinnlos, weil sie durch die Rückkopplung im Kondensator C3 wieder aufgehoben würde.
Bei den in den USA: Patentschriften 3 373 379 und 3227968 beschriebenen Anordnungen handelt es sich im wesentlichen um Oszillatorschaltungen konventioneller Art zur Selbstbegrenzung, wobei zum Zweck der Kompensation der Frequenzänderungen, die durch Temperaturunterschiede im Quarz hervorgerufen sein können, Kapazitätsdioden als Ziehkondensatoren in Reihe geschaltet sind.
Die USA.-Patentschrift 3 213 390 zeigt einen Oszillator, bei dem mit dem Regeltransistor 25 die Versorgungsgleichspannung je nach Schaltzustand des Transistors 25 verändert wird. Der Oszillator selbst schwingt immer bis zur Selbstbegrenzung an, wobei lediglich die Grenze der Selbstbegrenzung über den Transistor 25 veränderbar ist.
Eine gänzlich entgegengesetzte Funktionsweise zeigt der Transistoroszillator im B i 1 d 9 der Zeitschrift »Grundig Technische Informationen«, S.390, Juli 1962. Hier soll nämlich mit Hilfe des Stabilisierungstransistors erreicht werden, daß der Arbeitspunkt des Oszillatortransistors festgehalten, d. h. also stabilisiert wird.
Alle diese bekannten Oszillatoren schwingen so weit an, bis ihre Schwingung durch die vorgegebene Versorgungsspannung sich selbst begrenzt. Das hat jedoch zur Folge, daß die Ausgangsschwingung starke nichtlineare Klirrkomponenten enthält, die jedoch gerade dann, wenn ein derartiger Oszillator für die Trägerversorgung in Trägerfrequenzsystemen eingesetzt wird, unerwünscht sind.
Zur Trägeraufbereitung in Trägerfrequenzsystemen sind sehr hochfrequenzkonstante Oszillatoren erforderlich, die im allgemeinen als Quarzoszillatoren realisiert werden. Bei diesen Oszillatoren soll neben einer hohen Frequenzkonstanz auch eine ausreichende Amplitudenregelung erfolgen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen amplitudengeregelten Quarzoszillator hoher Klirrfreiheit zu schaffen.
Der amplitudengeregelte Generator wird gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß als aktives Halbleiterelement ein Feldeffekttransistor gewählt ist, in dessen Gleichstromzuführung zur Quellenelektrode zwischen dieser und dem Bezugspotential die Emitter-Kollektor-Strecke eines Regeltransistors so eingefügt ist, daß bei Zuführung einrer Regelgleichspannung an die Basis des Regeltransistors der Arbeitspunkt des Oszillator-Feldeffekttransistors entsprechend geregelt wird.
Durch diese Maßnahmen erhält man eine schwingkreisfreie Quarzoszillatorschaltung, bei der ein schneller Frequenzwechsel allein durch Auswechseln des Quarzes möglich ist. Durch Verwendung eines Feldeffekttransistors gemeinsam mit einem als Regelglied arbeitenden weiteren Transistor erreicht man ferner einen klirrarmen übersteuerungsfreien Betrieb der Schwingstufe im quasi linearen Bereich des Feldeffekttransistors.
Weiterhin kann der amplitudengeregelte Generator derart ausgebildet sein, daß in Reihe zum Quarz ein Ziehkondensator liegt, dessen nicht mit dem Quarz verbundener Belag geerdet ist und daß eine Synchronisationsspannung über eine Reihenschaltung aus Kondensator und ohmschem Widerstand an den Verbindungspunkt zwischen Quarz und Ziehkondensator geführt ist. Damit kann die Selektion des Quarzes zur Störbefreiung der Mitziehspannung von Störspannungen ausgenutzt werden.
Die Regelspannung läßt sich aus einer vom Schaltungsausgang gespeisten Spannungsverdopplerschaltung gewinnen, deren Dioden bei Erreichen einer Referenzspannung öffnen.
Vorteilhafterweise kann der Ziehkondensator auch aus einer Varaktordiode bestehen.
Zur Erhöhung der Frequenzkonstant empfiehlt es sich, die beiden Kapazitäten des kapazitiven Spannungsteilers wesentlich größer als die Tor-Quellenelektrodenkapazität bzw. die Abfluß-Quellenelektrodenkapazität zu machen, wobei jedoch eine obere Grenze, die durch die Anschwingsteilheit bestimmt ist, nicht überschritten werden sollte.
Um Verstimmungen des Quarzes noch weiter zu verringern, ist es vorteilhaft, Feldeffekttransistoren mit geringer Rückwirkungskapazität zu verwenden.
An Hand der Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1 und 2 sowie der Schaltbilder 3 und 4 wird die Erfindung näher erläutert.
Die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 zeigt dabei einen Quarzoszillator mit klirrarmer Amplitudenregelung; bei der Oszillatorstufe handelt es sich um eine kapazitive Dreipunktschaltung, bei der der Quarz im induktiven Gebiet, also knapp oberhalb der Serienresonanz, arbeitet.
Die Schwingkreiskondensatoren C1 und C2 sind groß gegenüber der Abfluß-Quellenelektrodenkapazität bzw. der Tor-Quellenelektrodenkapazität des Feldeffekttransistors. Die Rückwirkungskapazität Cd. addiert sich zur Quarzparallelkapazität.
Die Regelung wird durch den Transistor Ts2 bewerkstelligt. Die Steilheit des Sperrschichtfeldeffekttransistors nimmt bekanntlich mit wachsender Sperrspannung der Tor-Elekti ode bzw. mit sinkendem Abflußstrom ab. Die bei Transistoren oft verwendete Abwärtsregelung kann auch beim Feldeffekttransistor angewendet werden. Der Transistor ist im Ruhezustand durchgeschaltet. Uberschreitet die Oszillatoramplitude einen vorgegebenen Wert, so wird der Transistor durch die Regelspannung zu kleineren Kollektorströmen hin verschoben. Die damit verbundene Erniedrigung des Abflußstromes führt zu einer kleineren Steilheit des Feldeffekttransistors. Der Regeltransistor läßt sich, da er kapazitiv überbrückt ist, auch als regelbare Gleichstromquelle interpretieren. Auf die Details der Regelspannungserzeugung wird bei der folgenden Schaltungsbeschreibung näher eingegangen.
Der vollständige Stromlauf nach F i g. 2 zeigt die schon besprochene Oszillatorschaltung. Der Ziehkondensator ist einpolig geerdet, was für viele Anwendungsfälle günstig ist; an seiner Stelle kann auch eine Varaktordiode zur elektronischen Frequenzeinstellung verwendet werden. Die Betriebsspannung ist über die Zenerdioden D1 und D2 stabilisiert. Das Torpotential wird durch den hochohmigen Spannungsteiler R4, R5 festgelegt. Auf die Oszillatorstufe folgt ein dreistufiger Trennverstärker zur Entkopplung der Schwingschaltung vom Ausgang. Die erste Stufe arbeitet in Kollektorschaltung, ebenso die dritte Stufe, deren geringer Ausgangswiderstand die Rückwirkung von Lastschwankungen auf die Regelstufe sehr klein hält, so daß die Oszillatoramplitude konstant bleibt. Die Stromversorgung des Trennverstärkers ist über R 10 und C 11 vom Oszillator entkoppelt.
Die Regelspannung wird durch eine Spannungsverdopplerschaltung (C10, D3, D4) aus der Ausgangsspannung gewonnen. Die durch die Zenerdioden stabilisierte Spannung wird durch die Widerstände R8 und R9 unterteilt. Der Regeltransistor Ts2 ist, solange der Oszillator nicht anschwingt, über den Widerstand R7 durchgeschaltet, wobei dann der Feldeffekttransistor mit dem höchstmöglichen, durch R4, R5 und R6 festgelegten Abflußstrom und der damit gegebenen Steilheit arbeitet. Der Spannungsabfall an R7 ist dann gleich dem Spannungsabfall an R9, vermindert um die Emitter-Basis-Spannung des Regeltransistors. Schwingt nun der Oszillator an, so beginnen die Dioden D3 und D4 zu leiten, wenn die Ausgangsspannung, gemessen von Spitze zu Spitze, den Wert der Spannung an R 7 plus zweimal der Schwellspannung der Dioden überschreitet. Damit wird der Basisstrom des Transistors Ts2 herabgesetzt, der Kollektorstrom bzw. der Abflußstrom nehmen ab, bis die Steilheit des Feldeffekttransistors auf den Wert der Anschwingsteilheit gesunken ist. Mit den Widerständen R8 und R9 läßt sich die Referenz-Spannung der Regelung und damit die Ausgangsspannungsamplitude einstellen.
Wie schon erwähnt, gehen Laständerungen wegen der Niederohmigkeit der Endstufe kaum in die Oszillatoramplitude ein. Die Regelung arbeitet daher in erster Näherung auf konstante Spannung am Schwingkreiskondensator Cl.
Uber den Kondensator C5 und den Widerstand R2 kann eine Mitziehspannung in den Oszillatorkreis eingekoppelt werden. Die gezeichnete Anordnung erlaubt die Zuführung einer einseitig an Erde liegenden Mitziehspannung. Dabei bleibt der Vorteil des einpolig geerdeten Ziehkondensators erhalten. Der Widerstand R2 ist sehr hochohmig, um die Güte des Quarzkreises nicht zu verschlechtern. Gleichzeitig wird die Selektion des Quarzes zur Störbefreiung der Mitziehspannung ausgenutzt. Der erforderliche Pegel für ± 3 - 10 -' Mitnahmebereich beträgt etwa 0 Neper. Zur Anzeige der Einstellung des Oszillators auf die Mitte des Mitziehbereiches läßt sich in einfacher Weise entweder das Maximum der Kollektor-Emitter-Spannung oder das Minimum der Spannung zwischen Kollektor und Masse des Regeltransistors Ts2 verwenden (Gleichspannungsmessung).
Die Schaltung arbeitet versuchsweise mit Quarzen zwischen 84 kHz und 4,4 MHz ohne Änderung der Schwingkreiskondensatoren. Bei hohenAnforderungen an die Frequenzkonstanz wird der nutzbare Frequenzbereich mit feststehender Dimensionierung von C1 und C2 sinnvollerweise beschränkt, z. B. auf eine Oktave.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des Quarzoszillators nach der Erfindung sollen die einzelnen Vorgänge nachfolgend mathematisch noch näher betrachtet werden.
In F i g. 3 ist die Ersatzschaltung für den eingeschwungenen Zustand angegeben. Die Stromquelle speist den Abflußstrom J, in das Rückkopplungsnetzwerk ein. S ist die reelle Steilheit des Feldeffekttransistors; U9, ist die Tor-Quellen-Steuerspannung. R,, ist die ohmsche Komponente des Innenwiderstandes und des parallelgeschalteten Verbraucherwiderstandes. In den kapazitiven Reaktanzen X, und a - X, sind die obenerwähnten Ausgangs- und Eingangskapazitäten des Feldeffekttransistors enthalten. Der Quarz mit der parallelliegenden Rückwirkungskapazität Cdg wirkt bei der Schwingfrequenz als induktive Reaktanz X,, mit dem Verlustwiderstand R,. Für die Steilheit ergibt sich aus dem Ersatzschaltbild: Durch Nullsetzen des Imaginärteils erhält man oder für (a+ 1) RL » R,. Damit wird die Steilheit Aus Formel (1) ist zu ersehen, daß der Einfluß des Verlustwiderstandes R, auf die Frequenz klein gehalten werden kann, wenn die ohmsche Komponente des Innenwiderstandes R,, groß gegen den Verlustwiderstand R, gemacht wird. Dies ist besonders wichtig, da der Serienresonanzwiderstand des Quarzes vergleichsweise stark altern kann. Ganz eliminieren läßt sich dieser Einfluß nicht, weil der Verlustwiderstand R, des Ersatzschaltbildes nicht identisch mit dem Serienresonanzwiderstand des Quarzes ist. Nach F i g. 4 entsteht der Verlustwiderstand R, nämlich aus der Transformation des Widerstandes R, über die Induktivität L, und die Kondensatoren C,, CL, Cl und Cd." so daß eine Änderung des Widerstandes R1 über die Parallelkapazitäten Co und Cd, eine unvermeidbare Verstimmung verursacht. Aus diesem Grund ist es günstig, einen Feldeffekttransistor mit geringer Rückwirkungskapazität Cd,, zu wählen. Da der Quarz in der Nähe der Serienresonanz betrieben wird, läßt sich der Verlustwiderstand RS grob genähert angeben zu: Die Schwingkreiskondensatoren C und - C sollten zur Erzielung hoher Frequenzkonstanz möglichst groß gewählt werden, da eine Änderung etwa um das Verhältnis vermindert in die Frequenz eingeht.
Die obere Grenze für die Kapazitäten ist jedoch durch die Anschwingsteilheit nach Formel (3) gegeben. Für den Faktor a hat sich ein Wert von 2 bis 4 als günstig erwiesen. Die ohmsche Komponente des Innenwiderstandes R1 wird, wie schon oben erwähnt, groß gegenüber RS gewählt. Bei einem Wert des Verbraucherwiderstandes von einigen Kiloohm kann für die Rechnung der parallelliegende Innen« iderstand meistens vernachlässigt werden (R; 11 Rj.
Schließlich ist aus der Formel (3) noch zu ersehen, daß die erforderliche Anschwingsteilheit mit RS - o"2 ansteigt. Die Schaltung schwingt daher in der Regel der Grundwelle des Quarzes.

Claims

Patentansprüche: 1. Amplitudengeregelter Generator unter Verwendung eines dreipoligen Halbleiter-Verstärkerelementes in einer quarzstabilisierten Colpittschaltung, in der die Steuerelektrode mit dem Anfang eines kapazitiven Spannungsteilers, dessen Ende zusammen mit der Ausgangselektrode des aktiven Elements vorzugsweise geerdet ist, verbunden ist, in der weiterhin der Quarz dem kapazitiven Spannungsteiler parallel geschaltet ist, dessen Abgriff mit der Eingangselektrode des aktiven Elements verbunden ist, in der ferner ein an der Betriebsspannung liegender ohmscher Spannungsteiler vorhanden ist, dessen Abgriff mit der Steuerelektrode des Halbleiterelements verbundenist,dadurch gekennzeichnet, daß als aktives Halbleiterelement ein Feldeffekttransistor gewählt ist, in dessen Gleichstromzuführung zur Quellenelektrode zwischen dieser und dem Bezugspotential die Emitter-Kollektor-Strecke eines Regeltransistors so eingefügt ist, daß bei Zuführung einer Regelgleichspannung an die Basis des Regeltransistors der Arbeitspunkt des Oszillator-Feldeffekttransistors entsprechend geregelt wird.
2. Amplitudengeregelter Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Quarz ein Ziehkondensator (C3) liegt, dessen nicht mit dem Quarz verbundener Belag geerdet ist und daß eine Synchronisationsweehselspannung in der Nähe der Eingangsspannung des Oszillators über eine Reihenschaltung aus Kondensator (C5) und ohmschem Widerstand (R2) an den Verbindungspunkt zwischen Quarz (Q) und Ziehkondensator (C3) geführt ist.
3. Amplitudengeregelter Generator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelspannung aus einer vom Schaltungsausgang gespeisten Spannungsverdopplerschaltung (C10, D3, D4), deren Dioden bei Erreichen einer Referenzspannung öffnen, gewonnen ist.
4. Amplitudengeregelter Generator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ziehkondensator (C3) eine Varaktordiode ist.
5. Amplitudengeregelter Generator nach einem. der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kondensatoren (C1, C2) des Spannungsteilers groß gegenüber der Abfluß-Quellenelektrodenkapazität bzw. der Tor-Quellenelektrodenkapazität des Feldeffekttransistors (Tsl) ist, daß sie jedoch maximal nur so groß ist, daß die Anschwingsteilheit gegeben ist.
6. Amplitudengeregelter Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (Tsl) eine geringe Rückwirkungskapazität aufweist.