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Einstufige Transistoroszillatorschaltung Einstufige Transistoroszillatorschaltungen
zur Erzeugung einer Sinusschwingung sind bereits in vielen Modifikationen bekannt.
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Vielfach wird eine derartige Schaltung mit einem B-C-Schvwingkreis
aufgebaut und es wird eine Übertrager-Mitkopplung zwischen dem Hauptstromkreis des
zugehörigen Transistors und einem Steuerkreis dieses Transistors vorgesehen, um
die Erzeugung der Sinusschwingung zustande zu bringen (siehe z.B. The Institution
of Electrical Engineers", Vol. 106 - 1959, P.B. 15 - 18, Seite 748, Figur 1). Der
Transistor kann dabei z.B. in Emitter- oder in Basisschaltung benutzt werden. Die
Amplitude der erzeugten Schwingung wird z.B. durch den Verstärkungsgrad der Schaltung
bestimmt. In diesem Fall ist damit zu rechnen, daß bei an sich ungewollten Schwankungen
dieses Verstärkungsgrades sich starke Schwankungen der Amplitude ergeben. Die Amplitude
kann aber auch z.S,. durch die angelegte maximale Betriebsspannung begrenzt sein.
In diesem Fall ist damit zu rechnen, daß bei Vollaussteu erung sich eine Verzerrung
der Sinusschwingung durch die Begrerzung ergibt. Die Schwankung der Amplitude oder
die Verzerrung der Sinus schwingung können sich bei der Benutzung einer Transistoroszillatcrschaltung
nachteilig auswirken.
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Die Erfindung zeigt nun einen Weg, wie derartige Nachteile vermieden
werden können. Die Erfindung betrifft demgemäß eine einstufige Transistoroszillatorschaltung
für Sinusschwingung mit B-C-Schwingkleis und mit Übertrager-Mitkopplung zwischen
HauFtstromkreis und einem Steuerkreis des in Emitter- oder Basisschaltung benutzten
Transistors. Diese Schaltung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
bei Benutzung eines Transistors, dessen Kurzsehlußeingangswiderstand mit Zunahme
des Kollektorstromes abnimmt, der Gleichstromarbeitspunkt des Transistors
derart
eingestellt ist, daß die Schwingungsamplituden dadurch begrenzt sind, daß die Amplituden
des Kollektorstromes nur so groß sein können, daß kein einem zu hohen und kein einem
zu niedrigen die Schwingung hindernden Kurzschlußeingangswiderstand entsprechender
Betriebszustand momentan erreicht wird, und daß die Schwingungsamplituden mittels
einer Übertrager-Gegenkopplung für den Transistor stabilisiert sind. Es zeigt sich,
daß eine derartige Transistoroszillatorschaltung eine Sinusschwingung liefert, die
sicher begrenzt ist, da die Schv-ngungsamplituden hier weniger vom Verstärkungsfaktor
abhängen als sonst. Außerdem werden Verzerrungen weitgehend vermieden, da keine
Vollaussteuerung vorgesehen ist. Durch die Anwendung der Übertrager-Gegenkopplung
im Hauptstromkreis ergibt sich auch eine Stabilisierung, die zur Folge hat, daß
die Temperaturabhängigkeit verringert wird und daß sich die Streuung der Eigenschaften
und der Transistoren der gleichen Type wesentlich weniger als sonst bemerkbar machen.
Die erfindungsgemäße Transistore zillatorschaltung weist daher insgesamt sehr günstige
Eigenschzften auf. Sie kann auch, wie noch gezeigt werden wird, durch einen frequenzbestimmenden
Schwingquarz ergänzt werden, wobei sich noch zusätzliche günstige Eigenschaften
erzielen lassen.
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Transistoren, deren Kurzschlußeingangswiderstände mit Zunahme des
Kollektorstromes abnehmen, sind bereits bekannt. Dazu gehört z.B. ein Transistor
der Type BCY58 (siehe Halbleiter-Datenbuch 1967/68, Industrietypen, Siemens AG,
Seite 28, 29, 238, 244).
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Bei einem derartigen Transistor nimmt, wenn er in Emitterschaltung
betrieben wird, der Kurzschlußeingangswiderstand hlie mit Zunahme des Kollektorstromes
ic ab (siehe zitiertes Halbleiter-Datenbuch, Seite 244). Wenn ein derartiger Transistor
in Basisschaltung betrieben wird, nimmt der Kurzschlußeingangswiderstand hllb ebenfalls
ab (siehe zitiertes Halbleiter-Datenbuch, Seite 29 in Verbindung mit Seite 244).
Es gilt nämlich die Beziehung h11b 1+h2le (siehe Seite 29). Die bei Emitterschaltung
vorhezdene Kurzschluß-Vorwärtsstromverstärkung h21e verhält sich bei
zunehmenden
Kollektorstrom ic derart (siehe Seite 244), daß auch bei Basis schaltung des Transistors
der Kurzschlußeingangswiderstand h11b mit Zunahme des Kollektorstromes ic abnimmt.
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Ist nun bei diesen Schaltungen der Kollektorstrom ic relativ klein,
so liegt ein Betrieoszustand vor, der einem relativ hohen Kurzschlußeingangswiderstand
zugeordnet ist, was zur Folge hat, daß sich die Übertrager-Mitkopplung über den
Steuerkreis auf den Transistor nur sehr wenig auswirken kann. Es kann in diesem
i'åll nämlich nur ein sehr kleiner Steuerstrom fließen, der den Transistor nur sehr
wenig beeinflusst. Die Übertrager-Mitkopplung kann sich auch dann auf den Transistor
nur wenig auswirken, wenn der Betriebs zustand einem Kurzschlußeingangswiderstand
zugeordnet ist, der relativ niedrig ist, zu dem also ein relativ hoher Kollektorstrom
ic gehört. In diesem Fall kann am Steuerkreis des Emitters nur eine sehr kleine
Spannung auftreten. Der Transistor wird daher nur wenig durch die Mitkopplung beeinflusst.
Die geringe Beeinflussung des Transistors durch die Mitkopplung führt in beiden
Fällen dazu, daß ein Betriebszustand erreicht ist, dem ein die Schwingung hindernder
Kurzschlußeingangswiderstand entspricht. Zwischen diesen Betriebszuständen liegt
offensichtlich ein Bereich, in dem der Transistor einen derartigen Gleichstromarbeitspunkt
iO hat, bei dem eine Sinusschwingung auftritt. Dabei sind die Schwingungsamplituden
dadurch begrenzt, daß die Amplituden des Kollektorstromes iO + 8 ic nur so groß
sein können, daß keiner der beiden vorstehend beschriebenen Betriebszustände momentan
durchschritten wind, also solcher Betriebszustände, die den die Schwingung hindernden
Kurzschlußeingangäwiderstände entsprechen.
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Die Amplitude der Sinusschwingung kann dabei durch Verschiebung des
Gleichstromarbeitspunktes iO in dem ausnutzbaren Bereich verändert werden.
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Beispiele der erfindungsgemäßen Transistoroszillatorschaltung werden
anhand der-Figuren 1, 2 und 3 näher erläutert. Figur 1 zeigt eine Transistoroszillatorschaltung
in Emitterschaltung
ohne Schwingquarz. Figur 2 zeigt eine Transistoroszillatorschaltung
in Emitterschaltung mit Schwingquarz und Figur 3 zeigt eine Transistoroszillatorschaltung
mit Schwingquarz in Basisschaltung.
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Zu der in Figur 1 gezeigten einstufigen Transistoroszillatorschaltung
gehört der Transistor T, der in Emitterschaltung enutzt ist. An seinem Kollektor
ist der L-C-Schwingkreis angeschlossen. Die Kollektorspannung wird über den an der
Spannung +U liegenden Kollektorwiderstand Rc zugeführt, dem der Siebkondensator
Cc parallel geschaltet ist. Die Übertrager-Mitkopplung zwischen dem Hauptstromkreis
und einem Steuerkreis erfolgt hier über die Wicklung tm des auch die Wicklung L
aufweisenden Ubertragers. An die Enden dieser Wicklung ist hier noch der Widerstand
Rm angeschlossen. Das eine Ende der Wicklung ist an Masse gelegt, die sich auch
über den Emitterwiderstand Re auf den Emitter des Transistors T auswirkt. Der an
der Spannung -U liegende Emitterwiderstand Re dient in an sich bekannter Weise zur
Stromgegenkopplung und erhöht den Widerstandswert des Nebenschlusses zum Widerstand
Rm. Der Gleichstromarbeitspunkt iO des Transistors m wird mit Hilfe des Basiswiderstandes
Rk eingestellt, der an den nicht an Masse liegenden Anschluß der tEberträger-Wicklung
Lm angeschlossen ist. Die Übertrager-Mitkopplung hat si sich ebenfalls über den
Basiswiderstand Rk auszwwirken, damit die angestrebte Sinusschwingung auftritt.
Ihre Amplitude kann durch Veränderung des Basiswiderstandes Rk beeinflusst werden.
Die Übertrager-Gegenkopplung im Hauptstromkreis kommt mit Hilfe der Übertragerwicklung
i>g zustande, die in den Emitterkreis des Transistors g eingeschleift ist. Es
sei noch bemerkt, daß der zum L-C-Schwingkreis gehörende Kondensator C auch durch
den gestrichelt eingezeichneten Kondensator ot vertreten werden kann.
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Die in Figur 2 gezeigte Transistoroszillatorschaltung ist der in Figur
1 gezeigten ishmlich. Der dort genutzte Transistor BCX58
ist ebenfalls
in Emitterschaltung benutzt. Es ist hier jedoch noch ein frequenzbestimmender Schwingquarz
benutzt und außerdem eine selbständige Vorspannungsquelle. Der Kollektor des Transistors
steht hier über einen Kollektorwiderstand unter dem Ciinfluß der Kollektorspannung
+5V, der Emitter über einen Emitterwiderstand unter dem Einfluß der Spannung -6V
und außerdem ist noch ein Masseanschluß vorgesehen, der sich auf die Basis des Transistors
über einen Basisvorwiderstand auswirkt. Der Sch.'ingquarz Q liegt hier parallel
zu der zur Mitkopplung dienenden Übertragerwicklung W6, wobei in die Parallelschaltung
noch ein ohmscher Widerstand 40# eingefügt ist, über den die Rückkopplungsspannung
und die Vorspannung für den Transistor geliefert werden. Die Verbindung zwischen
Schwingquarz Q und dem erwähnten ohmschen Widerstand 40# ist an Masse gelegt.
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Der für die Rückkopplung benutzte betrage hat rauch hier drei Wicklungen,
zu denen außer der bereits erwähnten Wicklung W6 noch die Wicklung W2 gehört, die
zum L-C5-Schwingkreis gehort, und schließlich noch die für die Übertrager-Gegenkopplnng
ausgenutzte Wicklung W1. Zweckmäßigerweise ist die Windungszahl der im Steuerkreis
liegenden nd zur Mitkopplung dienenden Übertragerwicklung W6 ein Mehrfaches der
Windungszahl der ebenfalls zur Mitkopplung mitwirkenden und im Hauptstromkreis liegenden
Übertragerwicklung W2. Es ergibt sich dann, daß im Betrieb der Transistoroszillatorschaltung
der Schwingquarz Q nur durch einen verhältnismäßig kleinen Wechselstrom belastet
wird, während im Hauptstromkreis des Transistors ein wesentlich größerer Wechselstrom
fließt. Dadurch wird einerseits vermieden, daß ein die Genauigkeit des Schwingquarzes
ungünstig beeinflussender großer Wechselstrom auftritt, während es andererseits
doch möglich ist, einen so großen Strom fließen zu lassen, daß der Wert des Kurzschlußeingangwiderstandes
hil des Transistors derart ist, daß er sich günstig für die Erzeugung der gewünschten
Schwingung auswirkt. Diese Schaltungsweise ergibt im Zusammenwirken mit der spannnngaabhängigen
und der stromabhängigen Gegenkopplung
einen sicheren Schwingbereich,
und zwar auch, wenn eine relativ große Ausgangsleistung auszukoppeln ist, da die
zur Verfügt stehende Verstärkung optimal ausgenutzt wird. Die Frequenz der auftretenden
Sinusschwingung wird dabei durch die Eigenfrequenz des Sehwingquarzes bestimmt.
Dies wird dadurch erleichtert, daß die Abstimmschärfe des L-C-Schwingkreises des
Kollektorkreises hier relativ klein ist, da sich eine merkliche Bodämpfung dieses
Kreises durch die übrigen Schaltelemente ergibt.
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Wie groß diese beispielsweise zu wählen sind, ist aus der Figur 2
ersichtlich. Demgemäß hat der in die Parallelschaltung aus über tragerwicklung W6
und Schwingquarz Q eingeftigte ohmsche Widerstand 40 Ohm groß zu sein, der Kollektorwiderstand
Lat 50 Ohm und der Emitterwiderstand 20 Ohm groß zu sein. Parallel zum Kollektorwiderstand
liegt noch der Siebkondensator OSS '. Zum Schwingkreis gehört hier der Kondensator
1nF. Für den Basiswiderstand ist ein 10 kTL großer Regelwiderstand benutzt Dieser
ist noch durch einen Siebkondensator 20nF überbrückt. Das Verhältnis der Windungszahlen
von Übertragerwicklungen W6, Übertragerwicklung W2 und zur Gegenkopplung ausgenutzter
Überwicklung W1 kann hier zweckmäßigerweise gleich 6 : 2 : 1 gemacht werden.
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Bei der in Figur 3 gezeigten Transistoroszillatorschaltung ist der
Transistor T in Basisschaltung benutzt. Zum Übertrager gehören hier die Wicklungen
W, Wm und Wg. Die Wicklung \'S gehört zum L-C-Schwingkreis, über die Wicklung Wm
wirkt sich die Übertrager-Mitkopplung auf den hier als Steuerkreis dienenden Kollektorkreis
des Transistors T aus. Über die Wicklung g wirkt sich hier die Übertrager-Gegenkopplung
auf den Basiskreis dieses Trssistors T aus. Der Schwingquarz Q ist hier mit dem
t-C-Schwingkreis zusammengeschaltet, wobei in die Zusammenschaltung noch der Widerstand
Rc eingefügt ist, an den der Ernitter des Transistors T angeschlossen ist. Im Basiskreis
liegt noch die Parallelschaltung aus dem Widerstand Rb und dem Siebkondensator Cb,
an der sich die Vorspannung der Basis, hier unter Mitwirkung des
Spannungsteiler-Widerstandes
Rt, einstellt. Auch hier kann der Gleichstromarbeitspunkt des Transistors derart
eingestellt werden, daß die Schwingungsamplituden in entsprechender Weise wie bei
den andern beiden Transistoroszllatorschaltungen begrenzt werden. Diese werden dann
durch die vorgesehene Übertrager-Gegenkopplung auch hier zusätzlich stabilisiert.
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Wird ein Schwingquarz mitbenutzt, so läßt sich auch hier in an sich
bekannter Weise (siehe z.B. DT-PS 1 15G 716) mit Hilfe einer steuerbaren Rasazitätsdiode
die Frequenz der erzeugten Sinusschwingung etwas beeinflussen. Diese steuerbare
Kapäzitatsdiode kann hierfür z.B. in Reihe zu dem Schwingquarz Q geschaltet werden.
Die Wirkung der steuerbaren Kapazitätsdiode wird hier noch dadurch erleiclltert,
daß, wie bereits erläutert, der jeweils mitverwendete L-C-Schwingkreis eine geringe
Abstimmschärfe hat. Ferner wirkt sich günstig aus, daß durch den verhältnismäßig
geringen Schwingquarzstrom nur ein kleiner, sich der Steuer-Gleichspannung der Kapäzitatsdiode
überlagernder Wechselspannungsabfall auftritt.
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3 Figuren 5 Patentansprüche