DE2165745C2 - Abstimmbarer Quarzoszillator - Google Patents
Abstimmbarer QuarzoszillatorInfo
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- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Description
mit p=j<« (j = imaginäre Einheit,
<·> = Kreisschwingfrequenz) erfüllt und daß die Abstimmung der Frequenz des Quarzoszillators im wesentlichen
durch Einstellung des von allen Impedanzen abhängigen Koeffizienten C der Laplace transformierten
Differentialgleichung erfolgt.
2. Quarzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bauelementeinheit
eine vernachlässigbar kleine Impedanz hat, daß die zweite Bauelementeinheit (R1) eine im wesentlichen
rein ohmsche Impedanz hat, daß die dritte Bauelementeinheit (R2) ebenfalls eine im wesentlichen
rein ohmsche Impedanz hat, daß die vierte Bauelementeinheit ein erster Kondensator (C3) ist
und daß die zweite und/oder die dritte Bauelement-, einheit in der Impedanz veränderbar sind bzw.
ist (F i g. 2).
3. Quarzoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Bauelementeinheit
ein weiterer Kondensator (C1) ist (F i g. 2).
4. Quarzoszillator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Bauelementeinheit
parallel zum ersten Kondensator (C3) einen ersten ohmschen Widerstand (R3) hat
(Fig. 2).
5. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
und/oder die dritte Bauelementeinheit (R., R1) ein
Feldeffekttransistor (FET) sind bzw. ist, parallel zu dessen Senken-Quellen-Strecke (RDS) ein zweiter
ohmscher Widerstand (R5) liegt, und daß der Feldeffekttransistor durch eine an seinem Gatteranschluß
(c) angelegte Steuerspannung (USt) in
seiner Impedanz veränderlich ist (F i g. 3 a).
6. Quarzoszillator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
und/oder die dritte Bauelementeinheit (R1, R2) ein
symmetrisches T-Glied sind bzw. ist, das aus zwei ohmschen Längswiderständen (R) und einem va-
riablen ohmschen Querwiderstand (r) besteht (Fig. 3b).
7. Quarzoszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der variable ohmsche Querwiderstand
(r) durch die Reihenschaltung eines weiteren ohmschen Widerstands (rt) und des dynamischen
Widerstands (rd) einer Diode gebildet ist, in deren Verbindungspunkt über eisen zusätzlichen
ohmschen Widerstand (R4) eine Steuerspannung (U's,) einspeisbar ist (F i g. 3b, c).
Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Quarzoszillator mit einem in Reihenr^oiionz betriebener.
Quarz, dessen Schwingfrequenz mitteis mindestens eines Bauelements veränderbarer Impedanz kontinuierlich
innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches in der Nähe der Eigenfrequenz des Quarzes
verstimmbar ist.
Abstimmbare Quarzoszillatoren werden auf den verschiedensten technischen Gebieten benötigt, z. B.
in phasengeregelten Oszillatoren für Fernsehempfänger, aber auch für Regenerativverstärker (Regeneratoren)
in Pulscodemodulations(PCM)-Ubertragungsstrecken.
Es sind bereits bekannt (vergleiche z. B. S e i i c h i r ο
Kozuka, »Phase Controlled Oscillator for Pulse Stuffing Synchronization System«, Revier of the
Electrical Communication Laboratory« Vol. 17, Nr. 5 bis 6. May - J une, 1969, S. 376 bis 381, F i g. 3) Quarzoszillatoren
mit einem in Reihenresonanz betriebenen Quarzkristall (kurz Quarz genannt), deren Schwingfrequenz
mit einer veränderlichen Kapazität in Form einer sogenannten Kapazitätsdiode kontinuierlich
einem gewissen Frequenzbereich verstimmt werden kann, wobei die Schwingfrequenz (iu) stets größer ist
als die Eigenfrequenz (ω0) des Quarzes, sofern die
Quarzoszillatoren keine zusätzlichen Induktivitäten in Form von gesonderten Spulen enthalten.
Bei diesen Quarzoszillatoren ist es nachteilig, daß die Kapazitätsdioden einerseits eine verhältnismäßig
große Regelspannung von etwa 5 V benötigen und andererseits die durch sie erzielte Kapazitätsvariation
verhältnismäßig gering ist, da sie nur etwa 10 bis 4öpF beträgt, so daß der Frequenzabstimmbereich
verhältnismäßig eng ist, zumal die Schwingfrequenz
nicht die Eigenfrequenz des Quarzes erreichen und unterschreiten kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Quarzoszillator der eingangs genannten Art zu schaffen,
dessen Schwingfrequenz kontinuierlich in einem gewissen Frequenzbereich um die Eigenfrequenz des
Quarzes herum und verhältnismäßig einfach verstimmt werden kann, indem keine hohen Regelspannungen
benötigt werden, ohne daß jedoch Spulen verwendet werden müssen, da sonst ein derartiger Quarzoszillator
nicht in integrierter Schaltungsbauweise ausgeführt werden könnte.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Quarz über eine erste Bauelementeinheit
mit einer ersten Impedanz in Reihe mit einem ersten Operationsverstärker geschaltet ist, in dessen Gegenkopplungszweig
eine zweite Bauelementeimheit mit einer zweiten Impedanz liegt, daß der Ausgang des
ersten Operationsverstärkers über eine dritte Bauele-
menteinheit mit einer dritten Impedanz an den Eingang
eines zweiten Operationsverstärkers angeschlossen ist. in dessen Gegenkopplungszweig eine vierte Bauelementeinheit
mit einer vierten Impedanz liegt, daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit
dem zum ersten Operationsverstärker entgegengesetzten Anschluß des Quarzes verbunden ist, daß der
Quarzoszillator die Laplace transformierte Differentialgleichung
mit p = j ίο (j = imaginäre Einheit, ω = Kreisschwingfrequenz)
erfüllt und daß die Abstimmung der Frequenz des Quarzoszillators im wesentlichen durch
Einstellung des von allen Impedanzen abhängigen Koeffizienten C der Laplace transformierten Differentialgleichung
erfolgt.
Die vorstehend wiedergegebene Laplace transformierte Differentialgleichung kann für das Netzwerk
des Quarzoszillators mit den beiden Operationsverstärkern und dessen beschaltenden Bauelementeinheiten
auf Grund des allgemeinen Fachwissens (vergleiche z. B. Taschenbuch der Elektrotechnik, Bd. 3,
Nachrichtentechnik, 1970, Berlin) exakt hergeleitet werden, d. h., die Koeffizienten können genau als
Funktionen der Impedanzen einschließlich der Quarzimpedanz dargestellt werden. Da die allgemeinen Ausdrücke
jedoch kompliziert werden, wird dies weiter unten nur für ein Ausführungsbeispiel erläutert. Dieses
Beispiel wird auch zeigen, daß der Koeffizient C als einziger von allen Impedanzen abhängt, so daß die
Variation von C durch Variation einer beliebigen der Impedanzen gewährleistet ist.
Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Lehre auch durch mehr als zwei Operationsverstärker realisiert
werden kann unter Beibehaltung der Schaltungstopologie durch vier, sechs usw. Operationsverstärker,
doch wäre dies wegen des erhöhten Aufwands weniger vorteilhaft.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quarzoszillators besteht darin, daß
die erste Bauelementeinheit eine vernachlässigbar kleine Impedanz hat, daß die zweite Bauelementeinheit
eine im wesentlichen rein ohmsche Impedanz hat, daß die dritte Bauelementeinheit ebenfalls eine im
wesentlichen rein ohmsche Impedanz hat, daß die vierte Bauelementeinheit ein erster Kondensator ist
und daß die zweite und/oder die dritte Bauelementeinheit in der Impedanz veränderbar sind bzw. ist.
Die Verwendung von Bauelementeinheiten mit im wesentlichen ohmscher Impedanz hat den besonderen
Vorteil, daß in einfacher Weise eine Impedanzänderung von praktisch Null bis unendlich erfolgen kann,
so daß ein großer Abstimmbereich erzielt wird.
Die Variation der Impedanz (R2 bzw. R3) der
zweiten und dritten Bauelementeinheit ist prinzipiell gleichwertig. Es wird jedoch später gezeigt, daß die
Gradienten
d ο , d «ι
6R2 Und äST
verschieden groß sind.
Es empfiehlt sich, daß die erste Bauelementeinheit ein weiterer Kondensator ist.
Auf diese Weise wird nämlich der Quarz kapazitiv verstimmt, d. h., die Schwingfrequenz des Quarzoszillators
kann größer sein als die Eigenfrequenz des Quarzes.
Die Erfindung wird dadurch ausgestaltet, daß die vierte Bauelementeinheit parallel zum ersten Kondensator
einen ersten ohmschen Widerstand hat.
Der erste ohmsche Widerstand stellt das einwandfreie Anschwingen des Quarzoszillators sicher, wenn
der ohmsche Verlustwiderstand des Quarzes berücksichtigt werden muß (vgl. unten Gl. [4b]).
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die zweite und/oder die
ίο dritte Bauelementeinheit ein Feldeffekttransistor
{FET) sind bzw. ist, parallel ;cu dessen Senken-Quellen-Strecke
ein zweiter ohmscher Widerstand liegt, und daß der Feldeffekttransistor durch eine an seinem
Gatteranschluß angelegte Steuerspannung in seiner
ι j Impedanz veränderlich ist.
Der zweite ohmsche Widerstand parallel zur Quellen-Senken-Strecke begrenzt den Gesamtwiderstand
dieser Parallelschaltung nach oben und linearisiert gleichzeitig die Impedanz-Steuerspannungs-Kennlinie
der Quellen-Senken-Strecke:.
Schließlich wird eine einfache Realisierung der zweiten und dritten Bauelementeinheit dadurch erreicht,
daß die-zweite und/oder die dritte Bauelementeinheit ein symmetrisches T-Glied sind bzw. ist, das
aus zwei ohmschen Längswiderständen und einem variablen ohmschen Querw;derstand besteht; und insbesondere
dadurch, daß der variable ohmsche Querwiderstand durch die Reihenschaltung eines weiteren
ohmschen Widerstands und des dynamischen Widerstands einer Diode gebildet ist, in deren Verbindungspunkt über einen zusätzlichen ohmschen Widerstand
eine Sleuerspannung einspeisbar ist.
Die Ausgestaltung der zweiten und dritten Bauelementeinheit als symmetrisches T-Glied hat den
Vorteil, daß der Querwiderstand einseitig auf definiertem Massepotential liegt.
Dies ist besonders dann von Interesse, wenn der Querwiderstand im wesentlichen durch den dynamischen
Widerstand einer Diode gebildet wird, die im Gegensatz zur vorher genannten Ausführung mit
dem Feldeffekttransistor durch eine erdunsymmetrische Steuerspannung angesteuert werden kann.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Quarzoszillators.
F i g. 2 das Schaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfin.dungsgemäßen Quarzoszillators
und
Fig. 3a bis 3c Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäß
verwendeten zweiten und dritten Bauelementeinheit mit veränderlicher, im wesentlichen
rein ohmscher Impedanz.
Gemäß F i g. 1 ist der Eingang E des Quarzoszilla-
tors unmittelbar mit einem (ohne Bezugszeichen versehenen) Anschluß eines Quarzes β verbunden, der
in an sich bekannter Weise als Reihenresonanzschaltung ausgelegt ist, so daß ersatzschaltbildmäßig
seine Eigeninduktivität L0, seine Eigenkapazität C0
und sein ohmscher Verlustwiderstand R0 in Reihe
liegen.
Der vom Eingang E abgewandte Anschluß (ohne Bezugszeichen) des Quarzes Q ist über eine erste Bauelementeinheit
Z, mit dem Eingang eines ersten Operationsverstärkers K1 verbunden, in dessen Gegenkopplungszweig
eine zweite Bauelementeinheit Z2 liegt.
Der Quarz Q bildet zusammen mit dem ersten Ope-
rationsverstärker V1 einschließlich dessen Beschallung
ein erstes aktives FiItCrF1, also eine Baugruppe mit
bestimmtem Frequenz- oder Phasengang.
Auf den Ausgang A' des ersten aktiven FiltersF1
folgt ein zweites aktives Filter F2, dessen Ausgang A"
gleichzeitig den Ausgang des Quarzoszillators bildet und über eine Schleife S zum Eingang E rückgeführt
ist.
Am Eingang des zweiten Filters F2 ist eine dritte
Bauelementeinheit Z3 vorgesehen, die zu einem zweiten Operationsverstärker V2 führt, in dessen Gegenkopplungszweig
eine vierte Bauelementeinheit Z4 liegt.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Quarzoszillators läßt sich folgendermaßen interpretieren:
Die beiden Operationsverstärker V1 und V2 mit
ihren Beschämungen in Form der vier Bauelementeinheiten
Z1 bis Z4 üben gegensinnige Einflüsse aus,
die sich so äußern, als wenn dem Quarz Q ein weiterer Serienschwingkreis vorgeschaltet wäre:
Der beschaltete Operationsverstärker F1 stellt in
grober Näherung ein Differenzierglied dar, das eine Phasendrehung von (— 180° + 7 D) zwischen den Spannungen
U2 und U1 bewirkt. Der beschaltete Operationsverstärker
V2 ist näherungsweise ein Integrierglied mit einer Phasendrehung von (—180° —7,)
zwischen den Spannungen U3 und U2.
Für 7D = 7., heben sich die differenzierende und
integrierende Wirkung auf, und der Quarz Q wird auf seiner Eigenfrequenz m0 betrieben. Für 7 „ £ 7, dagegen
verstimmt sich die resultierende Frequenz <» zu höheren und tieferen Werten als c>0.
Mathematisch ergeben sich für den Quarzoszillator von F i g. 1 zwischen den Spannungen U1, U2 und U3
am Eingang E und den Ausgängen A' und A" folgende Beziehungen, wenn die an sich bekannte Formel für
Operationsverstärker zugrunde gelegt und mit Z1 (p).
Z2(p), Z3(p) bzw. ΖΛ(ρ) die Impedanzen der ersten
bis vierten Bauelementeinheit und mit Z0 die Impedanz des Quarzes Q bezeichnet werden, wobei ρ = j
<■> den Laplace-Operator mit w als Kreisfrequenz des
Quarzoszillators bedeutet:
b\{p) ZQ(p)+ Z
mit Z0(P) = R0 + PL0
mit Z0(P) = R0 + PL0
U3(P) zap)
(2)
und daraus wegen
U1(J)) = U3(P) für den geschlossenen Kreis
(3)
des ersten Operationsverstärkers V1 verbundenen Anschlüssen
α und b sowie gegebenenfalls einem dritten oder Steueranschluß c versehen, dem eine Steuerspannung
bzw. ein Steuerstrom zur Impedanzänderung zugeführt wird, falls die Impedanzänderung nicht einfach
mechanisch vorgenommen wird, indem z. B. die zweite Baueleinenteinheit R2 ein einfaches Potentiometer
ist, dessen Abgriff zur Impedanzänderung verschoben wird.
Die dritte Bauelementeinheit R3 hat ebenfalls eine
verstellbare, im wesentlichen rein ohmsche Impedanz und ist — ähnlich wie die zweite Bauelementeinheit
R2 — mit zwei Anschlüssen α und b versehen.
Ferner ist an der dritten Bauelementeinheit R3 fakultativ
ein dritter Anschluß c zur Zufuhr einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms vorgesehen, falls
die Impedanzänderung nicht mechanisch vorgenommen wird, z. B. durch Verschieben des Schleifers eines
üblichen Potentiometers.
Die Schwingbedingungen des in F i g. 2 dargestellten Quarzoszillators folgen aus der obigen Gleichung
(3), wenn für die Induktivitäten, Kapazitäter und ohmschen Widerstandswerte die Bezugszeicher
von F i g. 2 gewählt werden, also:
Z1(P) =
PC1
30
35 sowie Z2(P) - R2
Z3(p) = Rj
Z3(p) = Rj
Z4 (p) =
<"n
1 +
Eigenfrequenz des ungedämpften Quarzes Q
40
45 +P [RvQ (l + ~) + RoQ, - R2C0 -^
Ein Vergleich von Gleichung (4) mit Gleichung (3
ergibt für die Koeffizienten:
ergibt für die Koeffizienten:
55
R+c<
Die Umformung von Gleichung (3) ergibt die allgemeine Laplace transformierte Differentialgleichung
Ap3 + Bp2 + Cp + D = Q. (3a)
+ R0Q)' RiQ,
+ R0C0 - R2Q ^ ,
Eine bevorzugte Ausführung des Quarzoszillators von F i g. 1 ist in F i g. 2 gezeigt.
Dort ist die erste Bauelementeinheit ein Kondensa- 65 tor C1. Die zweite Bauclementeinheit R2 hat eine verstellbare,
im wesentlichen rein ohmsche Impedanz Gleichung (4) stellt die Laplace-Transformiei
und ist mit zwei unmittelbar mit den Anschlüssen einer Differentialgleichung 3. Ordnung dar.
Spezialfälle sind:
1. R4-O0 ,
R0-O,
1. R4-O0 ,
R0-O,
4-
O)0
f-tl)=0 (4"
Gleichung (4 a) ist die Laplace-Transformierte einer
Differentialgleichung 2. Ordnung. Ihre Lösung ergibt eine ungedämpfte Oszillatorschwingung.
C0
0-\ —
(4 b)
Gleichung (4 b) ist die Laplace-Transformierte einer
Differentialgleichung 2. Ordnung. Ihre Lösung ergibt eine gedämpfte Schwingung, d. h., die Anschwingbedingung
ist nicht erfüllt.
3. R4 Φ °° .
R0=M.
Eine an sich bekannte Frequenzabschätzung der vollständigen Gleichung (4) mit R4 4= °° ur>d Ro + 0
(vgl. A.Blum, P. Kaiisch: Anordnungsrelationen für die Schwingfrequenz und die Koeffizienten der
charakteristischen Gleichung bei Sinus-Oszillatoren, AEU, Bd. 25 [1971], Heft 8) führt auf die Ungleichung
1 +
_
C1
C1
1 +
"Ό
(5)
Gemäß Gleichung (5) kann also «> im Fall 3 über R2
und/oder R3 so verstimmt werden, daß gilt:
ω (R2 bzw. R3) φ
"'0
1 +
oder wahlweise Betätigung der Bauelcmenteinheiten R2 und R, erfolgen.
Aus dem linken Term der Gleichung (5) lassen sich die folgenden Gradienten herleiten:
= — (Dn
2 C0 . 1
R,
(6a)
(6 b)
Es ist also ersichtlich, daß die Änderung von <n2
(bzw. «>) mit R2 konstant negativ und unabhängig
von R2 selbst ist, während die Änderung von m2 mit
R3 positiv und dabei noch umgekehrt proportional zu Rj selbst ist.
Im allgemeinen dürfte die Variation nur einer dieser
Bauelementeinheiten zur Frequenzverstimmung ausreichen. Die Abstimmempfindlichkeit wird aber erhöht,
wenn beide Bauelementeinheiten impedanzmäßig variiert werden.
Wie bereits erwähnt wurde, kann die Impedanzänderung
der Bauelementeinheit R2 und/oder R3 mechanisch
oder elektrisch vorgenommen werden. Aus naheliegenden Gründen ist der elektrischen Impedanzänderung
im allgemeinen der Vorzug zu geben.
Eine bevorzugte Ausführung der elektrisch gesteuerten Bauelementeinheit R2 und/oder R3 ist in F i g. 3 a
gezeigt. Danach werden die zweite und dritte Bauelementeinheit durch die Parallelschaltung eines Feldeffekttransistors
FET mit seinem Senken-Quellen-Widerstand (Drain-Source-Widerstand) RDS und einem
weiteren ohmschen Widerstand R5 gebildet. Der Senken-Quellen-Widerstand RD$ ist durch eine Steuerspannung
Us, veränderbar.
Der Widerstandswert R, errechnet sich dann zu:
Rps " R5
R ds + R5
(6)
Die Gleichung (5) gibt zu erkennen, daß bei weggelassenem Kondensator C1 und damit unendlich
großer Kapazität C1 der rechte Term sich auf
reduziert.
Das würde bedeuten: «> < <·>0-
Um aber «1 > «>0 zur Erzielung eines großen Abstimmbereichs
zu machen, muß also der rechte Term in Gleichung (5) wesentlich größer als i»o werden,
wozu ein unendliches C1 erforderlich ist. Erst die
Einführung von C, macht also die Forderung gemäß Gleichung (6) erfüllbar.
Ferner kann nach Gleichung (4a) auch der ohmsche Widerstand R4 wegfallen, wenn der ohmsche Vcrlustwiderstand
R0 des Quarzes Q klein genug nach Gleichung
(4a) ist, aber die Ungleichung (6) weiter erfüllt.
Wie die Gleichung (5) ferner zeigt, kann grundsätzlich
die Frequenzverstimmung durch gleichzeitige Eine andere Ausführung der beiden Bauelementeinheiten
R2 und R3 ist in F i g. 3 b zu sehen, nämlich
ein symmetrisches T-Glied, das aus ohmschen Längswiderständen R und einem variablen ohmschen Querwiderstand
f besteht.
Der Widerstandswert R2 berechnet sich (vergleiche
z.B. Taschenbuch der Elektrotechnik, Bd.3, Nachrichtentechnik,
S. 633. Bild 3. 121) zu:
Schließlich ist in F i g. 3 c eine konkretere Ausfüh rungsform von F i g. 3b dargestellt, indem der variabl·
Querwiderstand r durch die Reihenschaltung eine ohmschen Widerstands r, und des dynamischen Wi
derstands rd einer Diode gegeben ist. Die Zufuhr de
Steuerspannung Us, erfolgt über einen weiteren ohm
sehen Widerstand R*. der am Verbindungspunk zwischen den Widerständen r, und rd angeschlosse
ist (vergleiche F i g. 3 c).
In diesem Fall gilt für den Widerstandswert R2
mit
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Abstimmbarer Quarzoszillator mit einem in Reihenresonanz betriebenen .Quarz, dessen
Schwingfrequenz mittels mindestens eines Bauelements veränderbarer Impedanz kontinuierlich
innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs in der Nähe der Eigenfrequenz des Quarzes verstimmbar
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Quarz (Q) über eine erste Bauelementeinheit
(Z1) mit einer ersten Impedanz in Reihe mit einem ersten Operationsverstärker (K1) geschaltet ist, in
dessen Gegenkopplungszweig eine zweite Bauelementeinheit (Z2) mit einer zweiten Impedanz liegt,
daß der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (K1) über eine dritte Bauelementeinheit (Z3) mit
einer dritten Impedanz an den Eingang eines zweiten Operationsverstärkers (K2) angeschlossen
ist, in dessen Gegenkopplungszweig eine vierte Bauelementeinheit (Z+) mit einer vierten Impedanz liegt,
daß der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit dem zum ersten Operationsverstärker entgegengesetzten
Anschluß des Quarzes verbunden ist, daß der Quarzoszillator die Laplace transformierte
Differentialgleichung
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