DE19652146B4 - Rauscharme Oszillatorschaltung - Google Patents

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Abstract

Rauscharme Oszillatorschaltung mit einem rückgekoppelten Transistor, an dem ein Resonator angekoppelt ist, bei der zusätzlich zu einer Mitkopplung des Transistors zur Schwingungserzeugung eine Gegenkopplungsschleife zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Transistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassbereich der Gegenkopplungsschleife (R5, C7, Q2, R1) mittels eines Tiefpassfilters (L2, R6; R5, C7; R1, C4, C5...) auf einen Durchlassbereich von 0 bis 1/4–1/100 der Oszillatorfrequenz festgelegt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine rauscharme Oszillatorschaltung mit einem rückgekoppelten Verstärkungselement, insbesondere einem Transistor, an dem ein Resonator, z.B. ein Schwingungskreis, angekoppelt ist. Das Verstärkungselement dient dazu, Verluste im Resonator auszugleichen und die auszukoppelnde Leistung bereitzustellen.
  • Das Rauschen einer Oszillatorschaltung wird im wesentlichen durch das aktive Element, nämlich den Transistor zur Schwingungserzeugung bestimmt. Die Einseitenband-Rauschleistung einer Oszillatorschaltung, d.h. das Phasenrauschen des Oszillators, läßt sich näherungsweise mit der aus der Literatur bekannten Leeson-Formel berechnen. Hieraus geht hervor, daß bei höherer Leistungsaufnahme das Rauschen niedriger wird, was bei portablen Geräten mit Batteriestromversorgung jedoch nachteilig ist.
  • Das Rauschmaß einer Oszillatorschaltung unter Betriebsbedingungen liegt typisch bei ca. 10–15 dB, und ist damit erheblich höher als das in Datenblättern von Transistoren angegebene Kleinsignalrauschmaß von ca. 1–3 dB. Die Ursache hierfür liegt im wesentlichen in der Konversion von Amplitudenrauschen in Phasenrauschen.
  • DE 196 20 760 A1 zeigt eine Oszillatorschaltung zur Amplitudenstabilisierung. Die Oszillatorschaltung weist einen Schwingkreis auf, welcher mit einem Transistor gekoppelt ist. Die an dem Emitteranschluß des Transistors anliegende Spannung wird in den Basiskreis des Transistors zurückgeführt. Der Kollektoranschluß ist mit einer Speisespannungsquelle gekoppelt. Die Speisespannungsquelle ist über einen Widerstand mit einem Basisanschluß des Transistors gekoppelt. Der Emitteranschluß ist mit dem Basisanschluß eines zweiten Transistors gekoppelt, dessen Kollektoranschluß mit dem Basisanschluß des ersten Transistors gekoppelt ist, um die Spannung am Basisanschluß des ersten Transistors zu steuern.
  • CH 531 702 A zeigt eine Oszillatorschaltung mit einem Gegenkopplungszweig, welcher bei Gleichspannung wirken soll und die Stromaufnahme des Oszillatorverstärkers konstant halten soll. Somit ist die Stromaufnahme unabhängig von der Schwingungskreisgüte, welche durch den Abstand zwischen der Oszillatorspule und einem Meßobjekt verändert wird.
  • GB 2 225 502 A zeigt eine Oszillatorschaltung mit einem rückgekoppelten Verstärkerelement, an das ein Resonator gekoppelt werden kann. Zusätzlich zu einer Mitkopplung des Verstärkungselementes zur Schwingungserzeugung ist eine Gegenkopplungsschleife zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Transistors angeordnet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, rauscharme Oszillatorschaltung zu schaffen, die sich durch praktisch nicht erhöhten Betriebsstrombedarf auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß zusätzlich zu einer Mitkopplung des Verstärkungselements zur Schwingungserzeugung eine Gegenkopplungsschleife zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkungselements vorgesehen ist, die einen Durchlaßbereich unterhalb der Schwingungsfrequenz des Oszillators hat. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß Amplitudenschwankungen des Verstärkungselements durch diese Gegenkopplung eliminiert werden, so daß das Phasenrauschen stark vermindert wird.
  • Wird als Verstärkungselement ein Transistor in Emitterschaltung verwendet, so ist die Gegenkopplungsschleife vorzugsweise zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors angeordnet. Um eine ausreichende Schleifenverstärkung und entsprechender Phasenlage zu erzeugen, ist in der Gegenkopplungsschleife ein zusätzlicher Transistor vorgesehen. Die Gegenkopplungsschleife ist in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, daß die Basis des zusätzlichen Transistors mit dem Emitter und der Kollektor mit der Basis des der Schwingungserzeugung dienenden Transistors gekoppelt ist.
  • Der Durchlaßbereich der Gegenkopplungsschleife ist mittels eines Tiefpaßfilters auf einen Durchlaßbereich von 0 bis 1/4–1/100 der Oszillatorfrequenz festgelegt. Dadurch, daß der Durchlaßbereich bereits bei 0 beginnt, also Gleichstromkopplung vorliegt, wird gleichzeitig der Arbeitspunkt der Oszillatorschaltung stabilisiert. Eine solche Arbeitspunktstabilisierung durch Gleichstromgegenkopplung ist zwar bereits bekannt, nicht jedoch eine Gegenkopplung miteinem Durchlaßbereich zu höheren Frequenzen zwecks Rauschunterdrückung.
  • Die erfindungsgemäße Oszillatorschaltung ist vorzugsweise ein frequenzmodulierter Oszillator, der einen frequenzbestimmenden Schwingungskreis mit Kapazitätsdioden aufweist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter bezug auf die Zeichnung beschrieben.
  • In der dargestellten Oszillatorschaltung dient der Transistor Q1 als Oszillatortransistor, der im Emitterkreis eine Induktivität L2 und Kollektorkreis einen Kollektorwiderstand R3 aufweist. Die erzeugte Hochfrequenz wird über einen Kondensator C8 zu einem Ausgang A ausgekoppelt. Der Kollektorwiderstand ist über ein Siebglied C6, L3 und C9 mit einer Betriebsspannung B verbunden. Die Basis des Transistors Q1 erhält über Vorwiderstände R1, R2 einen Basisstrom, dessen Wert über eine Gegenkopplungsschleife so eingeregelt wird, daß der Arbeitspunkt des Transistors Q1 festgelegt wird.
  • Ein Schwingungskreis (Resonator) besteht aus einer Induktivität L1, Kapazitätsdioden D1, einem variablen Kondensator C1 sowie weiteren festen Kondensatoren C2, C3, C4 und C5, wobei letztere als kapazitiver Spannungsteiler dienen, um über einen Rückkopplungswiderstand R4 eine Mitkopplung des Oszillators zu erzielen.
  • Die Kapazitätsdioden D1 bestehen im vorliegenden Fall aus drei parallel geschalteten Kapazitätsdioden, um in bekannter Weise das Diodenrauschen zu verringern. Über Widerstände R7 und R8 wird eine bei C anliegende Abstimmspannung eingekoppelt, um die Frequenz des Oszillators zu variieren. Es ist auch möglich, eine Modulationsspannung zur Frequenzmodulation einzuspeisen.
  • Die bisher beschriebenen Schaltungseinzelheiten sind im wesentlichen konventionell. In Serie mit der im Emitterkreis liegenden Induktivität L2 ist ein weiterer Widerstand R6 vorgesehen, an dem eine dem Emitterstrom proportionale Spannung abfällt. Im Großsignalbetrieb ist der Emitterstrom von starken Rauschanteilen überlagert, deren Spektrum praktisch ab Null bis in den MHz-Bereich hineinreicht. Dieses Rauschspektrum wird dem Oszillatorsignal aufmoduliert, und es entstehen im Oszillatorausgangssignal Rauschseitenbänder.
  • Der durch den Widerstand R6 fließende Emitterstrom erzeugt einen Spannungsabfall von ca. 0,7 V mit überlagerter Rauschspannung. Diese Spannung wird als Steuerspannung einer Gegenkopplungsschleife zum Basiskreis des Transistors Q1 verwendet, und zwar wird sie über ein Tiefpaßglied R5, C7 der Basis eines weiteren Transistors Q2 zugeführt. Während der Emitter dieses Transistors Q2 an Masse liegt, ist der Kollektor mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R1 und R2 angeschlossen, so daß die verstärkte Spannung über den Widerstand R1 gegenphasig auf die Basis des Transistors Q1 zurückgeführt wird.
  • Es wurde festgestellt, daß durch diese Rauschgegenkopplung eine starke Reduktion der Rauschspannung am Ausgang des Oszillators verbunden ist, und zwar lag die Reduktion bei bis zu 15 dB.
  • Die Gegenkopplungsschleife vom Emitter des Transistors Q1 über den Transistor Q2 zur Basis des Transistors Q1 enthält, wie bereits erwähnt, das Tiefpaßglied R5, C7. Der Kondensator C7 ist verhältnismäßig klein, so daß meist kein besonderer Kondensator vorgesehen sein muß, sondern die Eingangskapazität des Transistors Q2 reicht aus. Darüber hinaus bilden die Induktivität L2 und R3 ein weiteres Tiefpaßglied, und schließlich bilden der Widerstand R1 mit den an der Basis des Transistors Q1 angeschlossenen Kondensatoren und Kapazitäten ein weiteres Tiefpaßglied. Im vorliegenden Beispiel, wo die Oszillatorschaltung für eine Frequenz von 170 MHz ausgelegt ist, liegen die Grenzfrequenzen der drei Tiefpaßglieder L2/R6, R3/C7 und R1 mit der Eingangskapazität des Transistors Q1 bei ca. 10 MHz.
  • Die Grenzfrequenz des gesamten Tiefpasses liegt also in einem ausreichenden Abstand von der Oszillatorfrequenz, und geeignete Werte für den Durchlaßbereich des Tiefpasses liegen bei 0 bis 1/4–1/100 der Oszillatorfrequenz. Da auch eine Gleichstromgegenkopplung vorliegt, wird der Arbeitspunkt des Transistors Q1 des Oszillators stabilisiert, so daß die Abhängigkeit der Oszillatorfrequenz von der Betriebsspannung verbessert wird.
  • Die Zufuhr der Basisspannung für den Transistors Q1 kann ohne Probleme über einen Widerstand, hier R1, erfolgen, da die in diesem Widerstand erzeugten Rauschspannungen von der Regelschleife ausgeregelt werden. Die sonst bei konventionellen Schaltungen übliche, teure Drossel kann entfallen.
  • Durch die Einfügung des Gegenkopplungstransistors Q2 wird die Gleichstrom-Leistungsaufnahme nur unwesentlich erhöht, da nur der Basisstrombedarf des Oszillatortransistors Q1 geregelt wird.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der Transistor Q1 als Verstärkungselement für die Oszillatorschaltung. Das erfinderische Prinzip kann jedoch auch bei anderen Verstärkungselementen eingesetzt werden, z.B. bei Röhrenschaltungen. Es ist sogar möglich, das erfinderische Prinzip in Verbindung mit aktiven Zweipolen mit negativem Widerstandsverhalten einzusetzen.
  • Desgleichen kann anstelle eines LC-Schwingungskreises ein anderer Resonator eingesetzt werden, z.B. ein Schwingquarz oder eine Leitung. Auch die vorliegende, rückgekoppelte Transistorschaltung mit dem Transistor Q1 kann als Zweipol angesehen werden.

Claims (4)

  1. Rauscharme Oszillatorschaltung mit einem rückgekoppelten Transistor, an dem ein Resonator angekoppelt ist, bei der zusätzlich zu einer Mitkopplung des Transistors zur Schwingungserzeugung eine Gegenkopplungsschleife zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Transistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlassbereich der Gegenkopplungsschleife (R5, C7, Q2, R1) mittels eines Tiefpassfilters (L2, R6; R5, C7; R1, C4, C5...) auf einen Durchlassbereich von 0 bis 1/4–1/100 der Oszillatorfrequenz festgelegt ist.
  2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, wobei der Transistor in Emitterschaltung implementiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkopplungsschleife (R5, C7, Q2, R1) zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors (Q1) vorgesehen ist und in der Gegenkopplungsschleife (R5, C7, Q2, R1) ein zusätzlicher Transistor (Q2) vorgesehen ist.
  3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis des zusätzlichen Transistors (Q2) mit dem Emitter und der Kollektor mit der Basis des der Schwingungserzeugung dienenden Transistors (Q1) gekoppelt ist.
  4. Oszillatorschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator ein frequenzmodulierter Oszillator ist, der einen frequenzbestimmenden Schwingungskreis mit Kapazitätsdioden (D1) aufweist.
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Title
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