DE1948582C2

DE1948582C2 - Quarzstabilisierter Dreipunkt-Oszillator mit einem Transistor, insbesondere Pilotgenerator

Info

Publication number: DE1948582C2
Application number: DE1948582A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. 8000 Muenchen Thanhaeuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-25
Filing date: 1969-09-25
Publication date: 1974-04-18
Also published as: DE1948582B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 260 554 ist ein quarzgesteuerter, als rückgekoppelter zweistufiger Verstärker ausgebildeter Transistor-Oszillator mit einer Amplitudenstabilisierung bekannt, bei dem die erste Stufe als Teil eines aktiven Rückkopplungsnetzwerkes gelten kann, dessen auf Wechselstrom-Nullpotential liegender erster Pol über eine Serienschaltung eines Steuerquarzes und einer einstellbaren Ziehkapazität mit dem Emitter des zweiten Transistors verbunden ist. Weiterhin ist sin zweiter Pol dieses aktiven Netzwerkes mit dem Kollektor des zweiten Transistors und ein dritter Pol mit der Basis des zweiten Transistors verbunden. Der Ziehkondensator liegt einpolig auf Wechselatrom-Nullpotential. Mittels eines in Basisschaltung arbeitenden, gleichrichtenden Regeltransistors Wird der Gleichstrom und damit der Wechselstromwiderstand einer Diode geregelt, welche im Ansteuerweg zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor liegt.

Weiterhin ist aus der deutschen Patentschrift 556 248 ein quarzstabilisierter Dreipunkt-Oszillator bekannt, welcher in Abb. I eine Oszillatorschakung mit einer Röhren-Triode zeigt, bei der zwischen Gh- w.r und Kathode eine Seriensehalinng eines Schwingquarzes und einer einstellbaren Zählkapazität eingeschaltet ist. Hierbei ist die Ziehkapaziiät an die auf !".!,!potential liegende Kathode angeschlossen, wodurch erreicht ist, daß auch während der Einstellung der Ziehkapazität von Hand eine Rückwirkung auf ι nc Schwinnfrequenz vermieden wird. Die Rückkopplung des Oszillators wird durch eine angezapfte Überuagerwicklung erzielt, die mit ihrem einen Ende an o.r Anode, mit ihrem anderen Ende wechselstrom-M.Hig um Gilter und mit ihrer Anzapfung weasels' ommäßig an der geerdeten Kathode der Röhren-"1 /iode liegt.

\ufgabe der Erfindung ist es, einen quarzstabili- -: r'.en Dreipunkt-Oszillator anzugeben, der mit ..·. :em einzigen Schwingtransistor besonders frequenz- :id amplitudenstabil arbeitet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Anv iu'ung der im kennzeichnenden Teil des Patent-.1 spruches 1 angegebenen Merkmale ge'öst.

Hierdurch entsteht ein Transistor-Oszillator mit . ι ier amplitudengeregelten Schwingstufe hohen Rgelverhältnisses, bei dem die Schwingquarzgüte \..)!1 zur Wirkung kommt und die Schwingamplitude ::: einfacher Weise sehr genau und linear wirkend stabilisiert werden kann, wobei das Problem der Zu- !'i:hrung des Emittergleichstromes unter Ausschaltung der Gefahr parasitärer Schwingungen in einfacher Weise gelöst ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das dreipolige Rückkopplungsnetzwerk durch einen abgestimmten Übertrager bzw. eine abgestimmte angezapfte Spule realisiert ist und daß die Abstimmkapazität des Übertragers bzw. der angezapften Spule zumindest zum Teil ein Trimmer ist, dessen Rotor an den ersten IoI des dreipoligen Rückkopplungsnetzwerkes angeschlossen ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß insbesondere Oszillatoren für das Frequenzgebiet oberhalb 10 MHz sich in sehr einfacher und sicherer Weise mit Steuerquarzen realisieren lassen, die auf einem Oberton schwingen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die besonders hohe Genauigkeit des Ausgangspegels, die bei Pilotgeneratoren der Trägerfrequenztechnik erforderlich ist, dadurch erzielt werden, daß der Emitter des RegeiUansistors an einen ersten Anschluß einer Konstaatspannup.gsquelle, vorzugsweise Zenenikiode angeschlossen kt, deren zweiter Anschluß galvanisch mit dem Kollektor des Transistors und dem Fußpunkt einer vom vorzugsweise verstärkten Ausgangssignal des Verstärkers gespeisten Gleicririchteranordnung verbunden ist, deren Ausgang die Basis des Regeltransistors speist. Eine entsprechend feinfühlige Einstellbarkeit kann dabei dadurch erzielt werden, daß der Pegel des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals durch ein nachgeschaltetes RC-Netzwerk mit einem Trimmer stetig einstellbar ist

Nachstehend wird die Erfindung an Hand einer prinzipiellen Darstellung in Fig. I und eines in Fig. 2 detailliert dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Anordnung nach F i g. I zeigt das Prinzip der Erfindung. Der Oszillator ist einstufig wnd enthält den Transistor 1, der über ein dreipoliges Ritckkopplungsnetzwerk positiv rückgekuppelt ist, Das RückkopplungMietzwerk besteht aus einer angezapf-

ten Spule 2, die mit dem Trimmer-Kondensator 3 aui die Sclnvingfrequenz abgestimmt ist. Dabei stellt die Anzapfung der Spule 2 den ersten, mit dem Wechselstrom-Nullpotential verbundenen Pol des Rückkopplungsnetzwerkes dar. Sodann stellt das

Ende der Teilwicklung mit der größeren Windungszahl den zweiten Pol und das Ende der Teilwicklung mit der kleineren Windungszahl den dritten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes dar. Der Rotor des Trimmers 3 liegt an der Anzapfung der Spule 2 und

somit an Wechselstrom-Nullpotential. Der andere Anschluß des Trimmers 3 ist an das Ende der Teilwicklung mit der größeren Windungszahl angeschlossen, welches mit dem Kollektor des Transistors 1 verbunden ist.

Zwischen den Emitter des Transistors 1 und den ersten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes ist die Serierischaltung, bestehend aus dem Steuerquarz 4 und dem Ziehkondensator 5 nngeschalicet. Dabei ist der Rotor des Ziehkondensators 5 ebenfalls mit dem ersten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes und damit mit dem Wechse'stiom-Nullpotential verbunden. Schließlich ist die Basis des Transistors; 1 über den Kondensator 9 an den dritten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes angeschlossen.

Der Quarz 4 und der Ziehkondensutoi 5 bilden eine Schaltung mit Serien-Resonanzveräalten, daher arbeitet der Quarz 4 entsprechend der kapazitiven Reaktanz des Trimmers 5 auf der induktiven Flanke. Dabei kann die Ziehkapazität zum Teil oder ganz

auch durch einen gesteuerten Varaktor gebildet sein, welcher durch temperaturabhängige Glieder oder andere Einrichtungen gefeuert ist. Um die resultierende Güte des Quarzes 4 weitgehend zu erhalten, ist der Emitter des Transistors 1 i'ber den ohmschen Abschlußwiderstand 6 und den in Serie geschalteten Kondensator 7 mit dem dritten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes verbunden. Der Kondensator dient lediglich zur Gleichstromabtrennung. Um die Güte des Steuerquarzes 4 um nicht mehr als den Faktor 2 zu scheren, muß der Abschlußwiüerstand 6 kleiner als der betriebsmäßige Serien-Resonanz-Widerstand des Quarzes bemessen sein. Da jedoch auch die Emitter-Basisstrecke des Transistors 1 über den Kondensator 9 dem Abschlußwiderstand 6 für Wechselstrom parallel liegt, ist es vorteilhaft, zur Verminderung des Einflusses, der Emitter-Basisstrecke des Transistors 1 auf die Schwingfrequenz den ohmschen Abschluß widerstand 6 kleine.- als der kleinste, betriebsmäßig vorkommende Emitter-Basis-Eingangswiderstand des Transistors 1 zu bemessen. Die der Versorgung dienende Gleichspannung der Schaltungsanordnung ist durch die Zenerdiode 20 stabilisiert. Der Pluspol + U_n der Versorgungsspannung it geerdet und mit dem ersten Pol des

Rückkopplungsnetzwerkes, d. Ii. mit der Anzapfung der Spule 2 verbunden. Das Minuspotential — U_n gelangt über den Vorwiderstand 22 m die Zenerdiode 20, die durch den Kondensator 21 wechselstrommäßig überbrückt ist. Das stabilisierte Minus-

potential liegt einerseits am Emitter des Regeltransistors 12 und andererseits an dem Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 8 und 10, an dessen Anzapfung die Basis des Transistors 1 ange-

schlossen ist. Der Kollektor des Rcgeltransistors 12 ist über den Emitterwiderstand 11 mit dem Emitter des Transistors 1 verbunden und über den Kondensator 13 wcchselstrommäßig geerdet. Um den Einfluß des Emitterwiderstandes 11, der über den Ab- S blockkondensator 13 der Serienschaltung des Quarzes 4 und des Ziehkondensators 5 parallel geschaltet ist, gering zu halten, ist der Emitterwiderstand 11 wesentlich größer als der Serien-Rcsonanz-WidiT-stand des Quarzes bemessen.

Über den Re{;eltransistor 12, der als reiner Gleichstromverstärker eingesetzt ist, wird der Emitterstrom des Transistors 1 und damit seine Steilheit bzw. seine Verstärkung gesteuert. Zu diesem Zweck ist die Basis des Rcgeltransistors 12 an den Ausgang einer >S Spannungsverdopplerschaltung angeschlossen, die aus den beiden Kondensatoren 15 und 18, den beiden Gleichrichtcrdioden 16 und 17 und dem dem Ladekondensator 18 parallel liegenden Entladewiderstand 19 besteht. Der Fußpunkt der Spannungs- »° verdopplerschaltung ist geerdet und liegt somit auf Pluspotential; der durch den Kondensator 15 gebildete Eingang der Spannungsverdopplerschaltung ist durch das Ausgangssignal U_A der Schaltungsanordnung gespeist.

Um den Ausgang der Schaltungsanordnung von der Oszillatorstufe zu trennen, ist ein Trennverstärker

14 vorgesehen, dessen Eingang an den dritten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes, d. h. an die Wicklung der Spule 2 angeschlossen ist, die die kleinere Windungszahl hat. Der Eingangswiderstand des Trennverstärkers 14 wird zweckmäßig so niedrig gehalten, daß die resultierende Güte des abgestimmten Schwingkreises, bestehend aus der Spule 2 und dem Trimmer 3, im Interesse der Frequenzstabilität klein gehalten wird.

Der Ausgang des Trennverstärkers liefert die Ausgangsspannung U_A der gesamten Schaltungsanordnung, an welche die Spannungsverdopplerschaltung

15 bis 19 angeschlossen ist. Als Führungsgröße für die Regelung über den Regeltransistor 12 dient die durch die Zenerdiode 20 stabilisierte Betriebsspannung.

Beim Anschwingen der Oszülatorstufe ist der RegeltraitisistcrH über den als Basisvorwiderstand wirkenden Widerstand 19 durchgeschaltet. Der Transistor 1 !arbeitet dann mit dem maximal möglichen, durch die Widerstände 8, 10 und 11 gegebenen Emittergleichstrom und damit mit maximaler Verstärkung. Die Gleichrichterdioden 16 und 17 am Ausgang des Trennverstärkers 14 sind mit der um die Schwellenspannung des Regeltransistors 12 verminderten Referenzspannung der Zenerdiode 20 in Sperrichtung vorgespannt. Überschreitet die Ausgan.gsspannungsatnplitude, gemessen von Spitze zu Spitze, den Wert dieser Sperrspannung plus der Schwellenspannung der Dioden 16 und 17, so beginnen diese zu leiten und reduzieren somit den Basisstrom des Regeltransistors 12. Im gleichen Maße sinken der Emitterstrom des Transistors 1 und damit dessen Verstärkung (Abwärtsregelung), bis die Steilheit auf den zur Erhaltung des stationären Betriebes erforderlichen Wert gesunken ist Da bereits wenige mV zur Durchsteuerung des Regeltransistors 12 ausreichen, die Ausgangsspannung U_A aber in der $5 Größenordnung der Zenerspannung der Zenerdiode 20 Hegt, ergibt sich ein hohes Regelverhältnis. In Fig. 2 ist nachstehend ein detailliertes Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Es handelt sich um einen Pilotgenerator für di«: Trägerfrequenztechnik, welcher einen Piloten mit der Frequenz 61,160MHz liefert.

Zur Erzielung einer hohen Frequenzkonstanz ist der Transistor 1 der Schwiingstufc und der Verstärkertransistor 31, der das Kernstück des Trennverstärkers 14 darstellt, jeweils mit Transistoren hoher Transitfrequenz bestückt, was insofern von Vorteil ist, als deren Vierpolparameter bei der Oszillatorfrequenz sehr kleine Imaginärteile besitzen.

Die Schaltungsanordnung nach F i g. 2 gleicht in den Grundzügen der nach Fig. 1. Bei der vorerwähnten Frequenz von 61,160MKz ist jedoch zu berücksichtigen, daß der Steuerqtiari 4 eine bereits nicht mehr zu vernachlässigende Parallelkapazität aufweist, mit der der Quarzabschlußwiderstand 6 belastet erscheint. Diese Parallelkapazität kann unter ungünstigen Umständen in Verbindung mit der Streuinduktivität, die zwischen dien beiden Teilen der Schwingkreisübertragcrwicklutiig der Spule 2 auftritt, eine parasitäre Schwingfrequenz im Gebiet von einigen K)OMHz ermöglichen. Durch ein geeignet dimensioniertes Serien-ÄC-GHed 23, 24, welches zwischen die Basis des Transistors 1 und den ersten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes eingeschaltet ist, läßt sich die schädliche Streuresonanz so weit dämpfen, daß die Oszillatorschallung stabil arbeitet. Als zusätzlicher Schwingschutz ist zwischen den zweiten Po! des Rückkopplungsnetzwerkes und den Kollektor des Transistors 1 ein kleiner Kollektorschutzwiderstand 25 eingeschaltet.

Im Trennverstärker arbeitet der Verstärkeriiansistor 31 aus Gründen der besseren Entkopplung in Basisschaltung. Sein Emitter ist an den dritten Pol des Rückkopplungsnetzwerke!!, d. h. an die Teilwicklung mit der kleineren Windungszahl der Spule 2 über den Vorwiderstand 27 angekoppelt. Dieser Vorwiderstand linearisiert den in Basisschaltung arbeitenden Verstärkertransistor 31 und legt außerdem den Eingangswiderstand des Trennverstärkers und damit die Betriebsgüte des abgestimmten Übertragers 2 fest. Aus Gründen der Gleichstromtrennung ist dem Vorwideratand 27 der Kondensator 26 in Reihe geschaltet.

Der Gleichstromarbeitspunkt des Vcrstärkei-Transistors 31 wird einerseits bestimmt durch den Widerstand 30 zwischen seinem Emitter und dem stabilisierten Minuspotential und andererseits diurch ^Jie Spannungsteilerwiderstände 28 und 29, an deren Verbindungspunkt, die mittels des Kondensators 40 wechselstrommäilig geerdete Basis des Verstärkertransistors 31 angeschlossen ist. Die Serienschaltung der beiden Spainnungsteüerwiderstände 28 und 29 liegt an dem durch die beiden in Serie geschalteten Zenerdioden 20 α und 20 b stabilisierten Versorgungsspannung.

In der Kollektorzuleitumg des Verstärkertransistors 31 liegt ein weiterer kleiner Schwingschutzwiderstand 32, auf den einerseits der Eingang der Spannungsverdopplerschaltung 15 bis 19 und andererseits ein als Spartransformator ausgebildeter vusgangsübertrageir 34 folgt. Der Ausgangsübertrager 34 ist mittels des Trimmers 33 auf die Schwingfrequenz abgestimmt und weis*, eine Anzapfung auf, an welche sich ein RC-Netzwerk 35 bis 39 anschließt. Dieses RC-Netzwerk beinhaltet unter anderem einen Trim-

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mer 36, mit dem die Ausgangsspannung U_x besonders feinfühlig eingestellt werden kann.

Um die Regeispanruing zur Ansteuerung des Rcgeltransistors 12 von Hochfrcqucnzrcsteii zu befreien, ist zwischen den Ausgang der Spanmingsverdopplorschaltung 15 bis 19 und die Basis des Rcgeltransistors 12 ein Tiefpaß, bestehend aus dem Widerstand 41 und dem zur Emitter-Basisstrecke des Regeltrausistors 12 parallel liegenden Kondensators 42 eingeschaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunßcn

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Claims

Patentansprüche:

1. AmplitudenstabilisierterOszillator mit einem Transistor, dessen Emitter über eine Sericnschaltung eines auf der Emitterseite liegenden Steuerquarzes und einer einstellbaren Ziehkapazität an einen auf Wechselstrom-Nullpotential liegenden ersten Pol eines Rückkopplungsnetzwerkes angeschlossen ist, dessen zweiter Pol mit dem Kollektor und dessen dritter Pol mit der Basis des Transistors wechselstrommäßig verbunden sind, und mit einem den Gleichstrom zuführenden ohmschen Emitterwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß das dreipolige Rückkopplungsnetzwerk durch ein passives Netzwerk (2,3) reali- siert ist, daß der Emitter des Transistors (1) über einen ohmschen Abschlußwiderstand (6), der kleiner als der betriebsmäßige Serienresonanzwiderstand des Steuerquarzes (4) bemessen ist, wechselstrornnäßig mit dem dritten Pol des Rückkopplungsnetzwerkes ^2, 3) verbunden ist, daß der Gleichstrom dem Emitter des Transistors (1) über die Kollektor-Emitterstrecke eines Regeltransistors (12) zugeleitet ist, dessen Basis aus einem vom — vorzugsweise verstärkten — Ausgangssignal des Oszillators abgeleiteten Cileichsignal gesteuert ist, und daß der kapazitiv auf Wechselstrom-Nullpotential liegende Kollektor des Regeltransistors (12) an den ohmschen Emitterwiders'and angeschlossen ist. 3"

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor e^;nes Trimmers (5), der zumindest einen Teil der Ziehkapazität bildet, an den ersten Pol des dreipolige.. Rückkopplungsnetzwerkes (2, 3) angeschlossen ist.

3. Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ziehkapazität (5) zumindest zum Teil durch einen gesteuerten Varaktor gebildet ist.

4 Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dreipolige Rückkopplungsnetzwerk (2, 3) durch einen abgestimmten Übertrager bzw. eine abgestimmte angezapfte Spule (2) realisiert ist.

5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmkapazität des Übertragers bzw. der angezapften Spule (2) zumindest zum Teil ein Trimmer (3) ist, dessen Rotor an den ersten Pol des dreipoligen Rückkopplungsnetewerkes (2, 3) angeschlossen ist.

6. Oszillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerquarz (4) auf einem Oberton im Frequenzgebiet oberhalb 10 MHz schwingt.

7. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Pol des dreipoligen Rückkopplungsnetzwerkes (2, 3) und den Kollektor des Transistors (1) ein kleiner Kollektorschutzwiderstand (25) eingeschaltet ist (F i g. 2).

8. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basis des Transistors (1) und den ersten Pol des RUckkopplungsnetzwerkes (2, 3) ein Serien-flC-Glied (23,24) eingeschaltet ist (F i g. 2).

9. Oszillator nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Abschlußwiderstand (6) kleiner als der kleinste, betriebsmäßig vorkommende Emitter-Basis-EingangswidersUmd des Transistors (1) bemessen ist.

10. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß <li-r Emitter des Regekransistors (12) an einen ersten Anschluß einer Konstantspannungsquelle_r vorzugsweise Zenerdiode (20) angeschlossen ist, denn zweiter Anschluß galvanisch mit dem Kollektor des Transistors (1) und dem Fußpunkt einer vom vorzugsweise verstärkten Ausgangssignai des Oszillators gespeisten Gleichrichteranordnung (!5 bis 19) verbunden ist, deren Ausgang die Ba;.is des Regeltransistors (12) speist.

11. Oszillator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß der Ko>istantspannungsquelle (20) an den ersten Pol de:, dreipoligen Rückkopplungsnetzwerkes (2, 3) angeschlossen ist.

12. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß der Pegel des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals durch ein nachgeschaltetes «C-Netzwerk (35 bis 39) mit einem Trimmer (36) stetig einstellbar ist (Fig. 2).

13. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durrh die Verwendung als Pilotgenerator der Trägerfrequenztechnik.

14. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Ausgangssignal durch eine Transistortrennstufe (31) erzeugt ist (F i g. 2).

15. Oszillator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistortrennstufe (31) in Basisschaltung arbeitet (F i g. 2).

16. Oszillator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter der Transistortrennstufe (31) wechselstrommäßig über einen Vorwiderstand (27) an den dritten Pol des Rückkopplu.igsnetzwerkes (2, 3) angekoppelt ist (Fig. 2).