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Transistor-Oszillator Die Erfindung bezieht sich auf einen Transistor-Oszillator
mit elektronischer Abstimmung, dessen Schwingfrequenz ni t tels einer durch eine
S-teuerspannullg steuerbaren Reaktanz , insbesondere einer Kapazitätsdiode, veränderbar
ist.
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sind Oszillatoren, insbesondere Hochfrequenz-Transi stor-Oszillatoren
dieser Art bekann-t, bei denen das kapazitive Element des Schwingkreises von einer
im Ausgangskreis des Transistors angeordneten Kapazitätsdiode gebildet wird mittels
derer der Oszillator elektronisch durchstimmbar ist. Zur Anpassung des Verbrauchers
an den Schwingkreis des Oszillators wird bei derartigen Schaltungen meist ein or-Filtcr
verwendet, das im einfachsten Fall aus zwei Que-rkapazitäten, die über eine Längsiduktivität
verbunden sind, besteht. In der praxis zeigt sich bei derartigen Oszilla toren,
daß die Ausgangsleistung wesentlich von der all der
Kapazitätsdiode
anliegenden Steuerspannung und damit der Oszillatorfrequenz, die mittels dieser
Steuerspannung eingestellt wird, abhängig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Transistor-Oszillator
mit elektronischer Abstimmung, dessen Schwingfrequenz mittels einer durch eine Steuerspannung
steuerbaren Reaktanz, insbesondere einer Kapazitätsdiode, veründerbar ist, die Ausgangsleistung
im Durchstimmbereich wesentlich geringer abhängig von der Steuerspannung zu machen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch eireicht, da?? die Kapazitätsdiode der Emitter-Basis-Strecke
des Transistors parallel geschaltet ist und der Schwingkreis des Oszillators zwischen
einer der beiden Elektroden der Emitter-Basis-Strecke und dem Kollektor des Transistors
angeschaltat ist.
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Bei der Erfindung wird von der Überlegung ausgegangen, daß bei Paralleschaltung
der steuerbaren Reaktanz zum frequenzbestimmenden Schwingkreis des Oszillators das
Kapazität-Induktivität-Verhältnis eine wesentliche Veränderung während der Durchstimmung
des Oszillators erfährt, vor allem wenn ein großer Durchstimmbereich von 20% der
Mittenfrequenz und mohr gefordent wird. Durch die erfindungsgemäße Einschaltung
der steuerbaren Reaktanz wird demgegenüber nicht nur erreicht, daß diese Änderung
des Verhältnisses auf ein vernachlässigbar geringes Maß redu ziert wird. Vielmehr
wird der zu fordernde Spannungsaussteuerbereich für die Kapazitätsdiode, wenn eine
solche als steuerbare Reaktanz vorgesehen wird, wesentlich vermindert. Das beruht
darauf, daß mittels d-er Kapazitätsdiode , die parallel zur Eingangsimpedanz des
Transistors liegt, im wesentlichen nur die Phase der Rückkopplung beeinflußt wird,
diese aber im vollen Ausmaß. Es kann dami
der Aussteuerbereich der
Kapazitätsdiode hinsichtlich der Aussteuerspannung relativ sehr klein gehalten werden
im Vergleich zu den einleited erwähnten Schaltungen, womit sich auch die Linearität
der erzielten Frequenzänderung in Abhängingkeit von der Steuerspannung nennenswert
verbessert.
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Anstelle der Kapazitätsdiode kann als steuerbare Reaktanz gegebenenfalls
auch eine steuerbare Induktivität vorgeschen werden, wobei dann an die Stelle der
Spannungsaussteueurung eine Stromsteuerung tritt. Steuerbare Induktivitöten lassen
sich vor allem durch Spulen geringen Ligeninduktivitätswertes realisieren, in deren
Ferdbereich eine dünne magnetisierbare Schicht, beispielsweise aus Permalloy angeordnet
wird, deren Magnetisierungszustand mittels eines Steuermagnetfeldes, das von einer
5 teuer spule erzeugt wird, im geforderten Umfang veründerbar ist.
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Derartige steuerbare Reaktanzen sind hier auch deshalb mit besonderem
Vorteil anwendbar, weil sie einen relativ gcringen Impedanzwert haben.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn in Reihe mit der Kapazität eine Induktivität
geschaltet ist, die der Kompensation wenigstens eines Teiles der Minimalkapazität
der Kapazitätsdiode dient. Die Impedanz einer gegebenen Kapazitätsdiode läßt sich
so besser an die von der Schaltung geforderten Werte anpassen.
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Verändert man neben der Vorspannung der Kapazitätsdiode gleichzeitig
den Emitterstrom des Transistors, so läßt sich auf diese Weise ein noch größerer
Frequenzbereich uberstreichen.
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Zur Anschaltung des Verbrauchers an den Transistorausgang wird zweckmäßigerweise
parallel zum Kollektorschwingkreis ein Reaktanz-#-Filter, vorzugsweise ein Tiefpaß,
geschaltet.
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Hierdurch läßt sich der Verbraucher relativ leicht an den T-ransistor
anpassen, und es werden etwa vorhandene Oberwellen des Oszillators unterdrückt.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die
Kapazitätsdiode und der Transistor in einem gemeinsamen Halbleiterblock angeordnet,
wobei die Basiszone des Transistors und eine der beiden Zonen entgegengesetzten
Leitungstyps der Kapazitätsdiode eine gemeinsame Halbleierzone bilden, in dic zwei
gleichartig dotierte, als Emittcrzone und zweite Zone der Kapazitätediode dienende
Zonen cindifundiert sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines
in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert.
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Dabei zeigt: Fig.1 eine Transistor-Oszillator-Schaltung gemäß der
Erfindung, Fig. 2 das Ersatzschaltbild dieser Schaltung, Fig.3 ein Zeigerdiagramm
der in der Schaltung auftretenden Spannungen und Ströme, Fig.4 den Halbleiterblock
mit dem Transistor und der Kapazitätsiode.
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Der Transistor der in Fig. 1 dargestellten Transistor-Gszillator-Schaltung
ist ein npn-Transistor, der in der Basis-Grundschaltung betrieben wird. Im Ausgangskreis
des Transistors, d.h. zwischen Kollektor und Basis liegt der Kollektorschwingkreis
mit dem illdulçtiven und dem kapazitiven Schwingkreiselement
L1
bzw. C1. Die variable Schwingkreiskapazität, die Kapazitätsdiode Cd, liegt zwischen
Emitter und Basis des Transistors. Zwischen den Emitter und Kollektor ist die der
Rückkopplung dienende Kapazität CK geschaltet; Der Verbraucher GL ist über ein als
Tiefpaß wirkendes Reaktanz-#-Filter, bestehend aus den Querkapazitäten C2 und C3
und der Längsiduktivität L2, an den Kollektorschwingkreis angeschaltet. Die Zuführung
der Betriebsspannungen des Transistors erfolg über jeweils einen Durchführungskondensator
und eine Drossel.
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Anhand des Zeigerdiagrammes nach Fig.3 viird nun erläutert, wie durch
Variation der Kapazitätsdiode die Frequenz der Schwingung beeinflußt werden kann;
Die Ströme und Spannsulgclz des Zeigerdiagrammes sind in dem in Fig.2 dargestellten
Ersatzschaltib eingetragen. Im Ersatzschaltbild ist die zwischen Kollektor und Basis
des Transistors liegende Belastung in dem komplexen lei-Lwert YL zusammengefaßt.
Über die Koppelkapazität CK wird der Strom iK zum Eingang des Transistors zurückgeführt.
Der Sti-om iK verzweigt sich in den Strom id durch die Kapazitätsdiode Cd und den
eigentlichen Emitterstrom i e', der über die Einw gangsimpedanz re + jwle des transistors
fließt. Schwingunggen treten auf, wenn die Phasenlage von e mit der von ie' übereinstimmt
und
ist.
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Bei der Frequenz f eilt ic dem Strom e nach. Die Konstruktion des
Zeigerdiagramms wird begonnen mit einem Strom ie', der die gleiche Phase wie e hat.
Bei gegebener Eingangsimpedanz liegt somit auch ue' fest. Der Strom durch die Kapazitätsdiode
steht senkrecht auf u' und ergibt, addiert zu ie', den Rückkopplungsstrom iK Der
Strom ziL ergibt sich als Differenz von ic und iK. Die Spannung uCK steht senkrecht
auf iK und ergibt zusammen mit ue' die Spannung uC am Kollecktor.
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Nachfolgende soll der Einfluß einer Änderung der Diodenkapazität betrachtet
werden. Hierzu wird angenommen, daß die resultierende Frequenzänderung klein ist
und dementsprechend uC, iL und damit auch iK etwa konstant bleiben.
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Wird die Diodenkapazitäat verringert, so verringert sich auch der
durch sie fließende Strom, der jetzt mit id" bezeichnet wird. Bei festgehaltenem
Strom iK ergibt sich somit ein neuer Strom ie", der gegen ie' voreilt. Da ie die
gleiche Phasenlage wie ie" haben muß, muß sich der Phasenwinkel zwischen ie und
ic vergrößern, woraus letztlich eine höhere Oszillatorfrequenz folgt. Entsprechend
umgekehrt ist das Verhalten bei Vergrößerung der Kapazität.
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Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung eingnet sich auch gut für
die Ausführung in Mikroelektronik-Bauweise, bzw.
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integrierter Bauweise, vor allem in Halbleiterausführung.
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Dabei kann entweder die gesamte Schaltung in Mikroelektrenik-Ausführung
angefertigt werden oder nur ein Teil derselben Letzters empichlt sich vor allen
bei Halbleiterausführung. In diesem Fall ist es verteilhaft, die Kapazitätsdiode
und den transistor zumindest zusammenzufassen und in einem Halbleiterkörper zu realisieren.
Zusätzlich können auch die Kapazitäten Cb und Ck in diesen Baustein mit einbezogen
werden, der dann zur Vervollständligung als Oszillatorschaltung nurmehr die Einfügung
eines Schwingkreises und der Betriebsspannungszuführungen erfordert. Ein Beispiel
für eine solche Teilintegration in einem Halbleiterblock ist in der Fig. 4 gezeigt.
Das Grundmaterial bildet ein Halbleiterkörper aus n-leitendem Halbleitermaterial,
wie Germainium oder Silizium. Dieses Grundelement ist zugleich die Kollektorzone
des hier als npn-Transistor ausgebildeten Transistors. Diese Kollektorzone ist sperrschichtsfrei
mit einem Anschluß C verbunden, wobei,
so wie dargestellt, die Verbindung
zweckmäßig über ein sperrschichtsfrei mit der Kollektorzone verbundenes Mettalplättchen
erfolgt, das etwas großflächiger als der Haltleiterkörper ist und zugleich der Wärmcabführung
dient.
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Im dem Halbleiterkörper ist durch Diffusion entsprechenden Dotierungsmaterials
eine p-leitende Zone gebildet, die als Basiszone dient. In dem p-leitenden Basisbercich
sind swei n-leitende Zonen ebenfalls durch Diffusion ent-sprechellden Dotierungsmaterials
gebildet, von denen die eine den Emittoranschluk E bildet, während die andere die
Kathode der Kapazitätsdiede darstellt. Sowohl dio Basiszonc als auch die Emitterzone
und der Kathodenbereich der Kapazitätsdiede sind mit entsprechenden sperrshichtsfreien
Anschlüssen versehen und zu den Anschlußdrähten des so gebildeten integrierten Bausteins
geführt. Bei derartiger Ausführung empfichlt es sich vor allem, den Kondensator
Cb mit dem Halbleiterbaustein zu vereinigen, beispielsweise indem zunächst eine
Isolationsschicht auf die Oberfläche des Halbleiterbausteins aufgedampft wird, auf
die dann im auf dampfverfahren der Kondensator Cb als Dünnschichtkondensator aufgebracht
wird; vorgzugsweise ebenfalls im Aufdampfverfahren wird anschließend der gesamte
Halbleiterbaustein mit einem Schutzfilm überzogen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.4 hat naturgemäß der Kollektoranschluß
C infolge des Metallplättchens eine relativ große Kapazität gegenüber Bezugspotential.
Diese Kapazität muß in der Schaltung gegebenenfalls entsprechend aufgefangen werden,
beispielsweise indem sie in die Kapazität C1 mit einbezogen wird (Fig. 1). Ein anderer
Weg besteht darin, da. dieses Metallplättchen das Bezugs potential bildet und die
anderen Bereiche der Schaltung entsprechend vom Bezugspotential weggenommen werden.
Die hierfür erforderlichen Schaltungsmaßnahmen sind in der Fig. 1 gestrichelt angedeutet.
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Es wird der Kollektor auf Bezugspotential gelegt. Die Einschaltungsstelle
der
Spule 2 wird nach L2' gelegt. Die Betriebsspannungszuführungen für den Emitter und
für den Basisstromkreis können so, wie gestrichelt angedeutet, verbleiben.
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Anstelle des bei den Ausführungsbeispielet verwendeten npn-Transistors
kann auch ein pnp-Transistor verwendet werden unter entsprechender Umpolung der
einzelnen Betriebsspannungsquellen.
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4 Figuren 9 Patentansprüche