DE2243140A1

DE2243140A1 - Taktgeber zur erzeugung sinusfoermiger taktimpulse

Info

Publication number: DE2243140A1
Application number: DE2243140A
Authority: DE
Inventors: Heinz Bernhard Maeder
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1971-09-02
Filing date: 1972-09-01
Publication date: 1973-03-15
Also published as: BE788206A; JPS5210621B2; AU4604072A; AU474089B2; IT964200B; ZA724856B; GB1336353A; US3761833A; ES406292A1; JPS4837053A; FR2152092A5; CA971237A

Description

Patentanwalt 22Λ31ΛΠ

Dipl.-Phys. Leo Thul
Stuttgart ι

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INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION; NEW YORK

Taktgeber zur Erzeugung sinusförmiger Taktimpulse

Die Erfindung betrifft einen Taktgeber mit einem ein Resonanzglied aus einer Induktivität und einer Kapazität aufweisenden Sinusoszillator zur Erzeugung zweier um l8o° versetzter Reihen sinusförmiger Taktimpulse für zwei kapazitive Lastkreise.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen derartigen Taktgeber so auszubilden, daß hochkonstante, sinusförmige Taktimpulse erzeugt werden, deren Abstände ebenfalls einen hochkonstanten Wert haben. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Oszillator amplitudenstabilisiert ist, daß an den Oszillatorausgang zwei nach Art einer Gegentaktschaltung arbeitende Ausgangsstufen augeschlossen sind und daß die Ausgangsstufen durch eine vom Oszillator abgeleitete Gleichspannung vorgespannt und derart ausgebildet sind, daß jeweils die Halbwellen der einen Polarität unterdrückt werden und zwei Reihen gleichgerichteter, phasenstarrer Impulse mit festen Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen an die Lastkreise abgegeben werden.

V/eitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung befassen sich mit der Amplitudenstabilisierung der Oszillatorspannung und mit

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ORIGINAL INSPECTED

der Ausbildung der Ausgangsstufen.

Die Erfindung wird nun anhand eines AusfUhrungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l ein Blockschaltbild des Taktgebers,

Pig.IA die Spannungsverläufe an den Ausgängen der Ausgangsstufen,

Fig.2 eine Oszillatorschaltung mit ihrer Stabilisierungsschaltung,

Fig.3 eine Schaltungsanordnung der einen Ausgangsstufe,

Fig.3A Spannungsverlaufe zu Fig.3»

Fig.3B eine zur Fig.3 alternative Schaltungsanordnung,

Fig.4 eine schematische Schaltungsanordnung zur Erläuterung der Erzeugung der von der Oszillatorspannung abgeleiteten Vorspannung für die Ausgangsstufen,

Fig.ftA die zur Fig.4 zugehörige, zusammengesetzte Ausgangsspannung und

Fig.5 die vollständige Schaltung eines Taktgebers gemäß der Erfindung.

Der Taktgeber gemäß der Erfindung erzeugt zwei Reihen sinus förmiger Impulse, die sich nicht überlappen. Der Taktgeber dient insbesondere zur Steuerung zweiphasiger, aus MOS-Tran-

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sistoren aufgebauter Schaltungen in einem Fernsprech-Tastwahlapparat. Diese besondere Anwendung bestimmt hauptsächlich die erforderlichen Merkmale des Taktgebers» Folgende Forderungen sollen erfüllt werden?

(a) Betriebstemperaturbereich:-40 bis+55°C

(b) Stromverbrauch:-^ 25TnW₅

(c) Versorgungsspannungsbereich; 5*5 bis TV

(d) Frequenz: 20kHz+-5$,

(e) Ämplitudenstabilität; +-12$,

(f) niedrige Kosten.

In Bezug auf die Forderung (b) ist eine niedrige Verlustleistung des Taktgebers erforderlich^ da der Taktgeber von einer wiederaufladbaren Batterie gespeist wird und die einzige verfügbare Ladestromquelle der über die Teilnehmerleitung fließende Mikrofonstrom ist* In Bezug auf die Forderung (d) muß der Taktgeber auch als Steueroszillator im Handapparat arbeiten, um Wählimpulsfrequenzen zu erzeugen, nämlich den notwendigen Ton oder die notwendigen Töne zur Erzeugung der Wählfrequenzen aufgrund der ausgewählten«, eingetasteten Ziffer. Dies ist eine Systemforderung«

Die angegebene Frequenz von 2OkHz ist die Schwingfrequenz des Sinusoszillators. Die Pulswiederholungsfrequenz des Taktgebers ist doppelt so groß, da ein Taktimpuls von jeder Halbwelle der Oszillatorspannung abgeleitet wird.

Ein Blockschaltbild des Taktgebers ist in Fig.l dargestellt. Der Taktgeber besteht aus einem Oszillator OSC und zwei von diesem gespeisten aktiven Ausgangsstufen Sl und S2. Der Oszillator OSC ist ein LC-Oszillator, der zwei Ausgangsspannungen V, und Vp erzeugt, die um l80° phasenverschoben sind. Jede Ausgangsstufe erzeugt aus der sinusförmigen Os-

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zillatorspannung V₁ bzw. V₂ sinusförmige Taktimpulse in Form von Halbwellen, wobei die Taktimpulse einen Abstand von 3,5ms haben, wie in Pig. IA gezeigt ist.

Ein für die infrage kommende Frequenz von 2OkHz geeigneter Oszillator ist der bekannte Hartley-Oszillator. Dieser Oszillator ist durch eine AmplitudenstabUisierungsschaltung abgeändert, wie in Fig.2 gezeigt ist. In dieser Figur wird das aktive Element durch einen Transistor T₁ gebildet, dessen Kollektor über eine erste Wicklung 1-2 eines Resonanzübertragers Tx an den einen Pol 0 der Batterie angeschlossen ist. Eine zweite Wicklung 4-6 dieses Resonanzübertragers ist mittels eines Kondensators C5 auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt. Die erste Wicklung 1-2 bildet den größten Teil einer Wicklung 1-3, deren Teil 2-3 eine dritte Wicklung dargestellt. Der Punkt 2 ist mit der O-Potential führenden Ader 0 verbunden. Die dritte Wicklung arbeitet als Rückkopplungswicklung für den Oszillator, wobei die Rückkopplungsspannung über einen Kondensator C3 an die Basis des Transistors T. gelahgt. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Größe ist der Resonanzübertrager sowohl als Schwingübertrager als auch als Koppelglied für die zwei Ausgangsstufen betrieben. Er besteht aus einem einzigen Topfkern. Zwischen dem Emitter des Transistors T, und dem Pol -V der Batterie liegt ein Widerstand R3i dieser Widerstand sorgt für stabile Arbeitsbedingungen für den Oszillator und gibt dem Oszillator eine gute Amplitudenregelkennlinie, wenn die Basisspannung des Transistors T. in folgender Weise verändert wird.

Der Kollektor des Transistors T, ist über einen Kondensator C₂ und eine Zenerdiode D₂ mit der Basis eines zweiten Transistors Τ« verbunden, dessen Basis über einen Widerstand R₁ mit dem negativen Pol -V der Betriebsspannungsquelle gekoppelt ist. Diese Transistorstufe führt einen Vergleich zwischen

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der Oszillatorschwingung am Kollektor des Transistors T₁ (Spannung V) und der Zenerspannung der Diode Dp durch. Wenn die Amplitude der Oszillatorspannung ansteigt, dann ist die Zenerdiode wähfcend des Spitzenwertes der Oszillatoramplitude leitend, so daß abwechseln!positive und negative Stromspitzen durch den Widerstand R, fließen. Wenn die Oszillatoramplitude weiterhin ansteigt, fließt auch ein Strom zur Basis des Transistors T^, wodurch das Kollektorpotential des Transistors Tp und damit auch das Basispotential des Transistors T₁ abnehmen. Dadurch wird die Oszillatoramplitude verringert. In dieser Weise wird die Amplitudenstabilisierung erreicht.

Ein für die Rückkopplung vorgesehendr, zusätzlicher Kondensator C, bildet zusammen mit einem Widerstand Rp (der Arbeitswiderstand für den Transistor Tg) ein Tiefpaßfilter, wodurch die Schwingbedingung erfüllt ist.

Durch den beschriebenen Impulsbetrieb der Zenerdiode kann eine übliche und billige Zenerdiode verwendet werden, die eine annehmbar niedrige Verlustleistung hat.

Die Ausgangsstufen des Taktgebers bestehen jeweils hauptsächlihh aus einer Schaltung, wie sie in Pig.3 gezeigt ist. Jede Ausgangsstufe weist ein Netzwerk aus einem Widerstand R₁,, zwei Dioden D-,, D^ und zwei Transistoren T.,, T₁, auf, wobei die Glieder der in Pig.3 nicht gezeigten Ausgangsstufe mit Strichindic.es versehen sind. Jede Ausgangsstufe ist mit einer zugehörigen Hälfte 5-4 bzw. 5-6 der abgestimmten Sekundärwicklung des Oszillatorübertragers T verbunden. Diese Ausgangsstufen speisen eine Last, die als Parallelschaltung aus einem Kondensator ClO und einem Widerstand RIO dargestellt ist. In Wirklichkeit wird diese Last jedoch im Gegentaktbetrieb betrieben, wie aus der in Fig.5 dargestellten Gesamtan-

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Ordnung ersichtlich ist.

Ein Dauervorspannungspotential +Vg ist an den Mittelabgriff 5 angelegt, wodurch der erforderliche Abstand der von den betreffenden Ausgangsstufen an die Last gelieferten Halbwellen erreicht wird. In einem typischen Fall betrug die Spannung V_g etwa 3*7V bei einer Spitzenausgangsspannung von 25V an der Last, wobei der Abstand ^t a 3,5ms war, wie in Pig.IA gezeigt ist. Die Spannung V_g wird von der Oszillatorstufe abgeleitet, indem die Kollektorspannungsschwingung des Transistors T₁ in den Fig.2 und 4 mittels einer Diode D^ und eines Kondensators C4 dpitzengleich gerichtet wird. Ein Widerstand R,- ist notwendig, um die Spannung Vg stabil zu halten, weil Ig^ I₇ ist; aber I₇+Iq muß ^. Ig sein.

Im allgemeinen ist die durch einen MOS-Transistor-Chip gebildete Last für die Ausgangsstufen rein kapazitiv. In Fig.3 ist die simulierte Last durch den Kondensator ClO und den Widerstand RIO gebildet, wobei typische Werte 5OpF und 22OkJX sind.

Im folgenden wird nun anhand der Fig.3 und 3A die Arbeitsweise der Ausgangsstufen Schritt für Schritt erläutert. In Fig.3A ist die Sinuswelle Vl an der einen Hälfte der Wicklung 4-6 des Übertragers T_x dargestellt, wobei die Offs'etspannung Vg und auch; die resultierende Ausgangswelle V_A angedeutet sind; Vg und 7. sind nicht in richtigem Verhältnis zueinander dargestellt. Es sei angenommen, daß die Spannung V. (Fig.3) positiv während der Periode 1 in Fig.3A iat. Die beiden Dioden D, und D₂. sind entgegengesetzt vorgespannt, und daher gesperrt, und beide Ströme I₁ und I₂ haben den Wert 0. Die Spannung Vg

V-

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treibt einen Strom über die Emitter-Basis-Strecke des Transistors Τ4, wobei dieser Strom L,*= «=— beträgt* Dabei fließt

2 it

kein Laststrom (ClO, RIO).

Zum Zeitpunkt 2 (in der Näher von V_) hat die Spannung Vl den Wert 0,und die Dioden D, und D₂, sind ent sperrt. Der Strom I, fließt über den Kollektor des Transistors T·. und über die Diode D^. Der Transistor T^ arbeitet somit als Stromquelle für die Basis des Transistors 'S·,. Während der folgenden Periode erhält die Last (ClO) die Spannung V₁ über die Diode D.,. Die Spannungsabfälle an den Dioden D, und O₁, sind etwa gleich groß, so daß die Potentiale an der Basis und am Emitter des Transistors T^ ebenfalls gleich sind. Somit fließt kein Strom über den Transistor Ty( V_B=V_BE=0; I₅=O).

Zur Zeit 4 ist die negative Spitze der Spannung V» erreicht, wobei der Kondensator GlO auf diese Spitzenspannung aufgeladen und die Diode D, gesperrt wird. Der Transistor T-, beginnt ähnlich einem Emitterfolger zu arbeiten.und entlädt die Last (Periode E)j ein Teil des Stromes IJ fließt zur Basis des Transistors T-,. Die Diode D₁, leitet weiterhin während der Ent ladung der Last über den Transistor T-,. Zum Zeitpunkt P (wi%er in der Nähe von V„) hat die Spannung V- wieder den Wert 0, und der Kollektorstrom des Transistors T, hört auf zu fließen. Die Kollektor-Basis-Diode des Transistors T-, begrenzt das BasLspotential am Transistor T, auf Erdpotential, und dadurch wird der Zyklus beendet.

Auf diese Weise ist jede Sinuswelle in eine Folge von Sinushalbwellen umgewandelt worden,und die zwei Ausgangsstufen, welche abwechselnd im Gegentaktbetrieb von der Wicklung 4-6 betrieben werden, erzeugen abwechselnd aufeinanderfolgende Halbwellen in der Last, wie es in Pig.IA gezeigt ist,-·, In Fig.IA sind zwei Impulsreihen aus Sinushalbwellen gezeigt, wobei eine Halbwelle

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der einen Impulsfolge von der folgenden Halbwelle der anderen Impulsfolge einen Abstand von etwa 3*5ms aufweist.

Fig.5 stellt eine vollständige Anordnung des Taktgebers dar, und ist aus den Fig. 2, 3 und 4 zusammengesetzt, so daß sich ein Zweiphasenausgang mit den Ausgängen I₁ und (Jj₂ ergibt.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Transistor T₁, in Fig.3 durch eine Diode DT₂, ersetzt werden kann, wie es in Fig.3B gezeigt ist, wobei jedoch eine größere Verlustleistung in Kauf genommen werden muß.

Der oben beschriebene Taktgeber ist für die Herstellung in integrierter Schaltungstechnik geeignet, die einen hohen Schwellwert-Prozess benutzt. In diesem Fall erzeugt eine Oszillatornennspannung von 8_f8Vgo eine Taktgeberausgangsspannung von 25V. Wenn Jedoch ein niedriger Schwellwert-Proaess benutzt wird, dann wird die Taktgeberausgangsspannung auf l8V +-10$ verringert, wodurch ein Neuentwurf des OszillatorausgangsUbertragers erforderlich wird. Die Verlustleistung des Schaltungschips wird jedoch auf einen Wert verringert, die die Verwendung einer weiter vereinfachten Ausgangsstufe erlaubt, in welcher die Diode Dj, (Fig.3B) durch einen geeigneten Widerstand ersetzt ist. Dieses würde zu erheblichen Kosteneinsparungen führen, aber eine vergrößerte Verlustleistung und eine vergrößerte Betriebsleistung mit sich bringen.

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Claims

Patentansprüche

1. Taktgeber mit einem ein Resonanzglied aus einer Induktivität und einer Kapazität aufweisenden Sinusoszillator zur Erzeugung zweier um l80° versetzter Reihen sinusförmiger Taktimpulse für zwei kapazitive Lastkreise, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (Tl) amplitudenstabilisiert- ist (mittels T2), daß an den Oszillatorausgang (4, HS) zwei nach Art einer Gegentaktschaltung arbeitende Ausgangsstufen (R4, DJ, D4, TJ, t4 bzw. RV, DJ', DV, TJ', TV ) angeschlossen sind und daß die Ausgangsstufen durch eine vom Oszillator abgeMtete Gleichspannung (Vg) vorgespannt und derart'ausgebildet sind, daß jeweils die Halbwellen der einen Polarität unterdrückt werden und zwei Reihen gleichgerichteter, phasenstarrer Impulse mit festen Pausen zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen an die Lastkreise ($,, (jL) abgegeben werden.

2. Taktgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzglied einen Übertrager (Tx) mit drei Wicklungen (l-2j 2-J; 4-6) aufweist, daß die erste Wicklung (1-2) an eine Elektrode eines Verstärkerelements (Tl) des Oszillators und die dritte V/icklung (2-J) an eine zweite Elektrode dieses Verstärkerelements im Sinne einer Mitkopplung angeschlossen sind und daß die zweite Wicklung (4-6) mittels eines Kondensators (C5) auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt und mit ihren Enden (4,6) und einer Mittelanzapfung (5) an die Ausgangsstufen direkt angeschlossen ist.

J. Taktgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator eine amplitudenstabilisierende Schaltung aus einer Zenerdiode (D2) und einem Transistor (.T2) aufweist, daß die Oszillatorspannung mit der Zenerspannung der Zenerdiode ver-

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glichen wird und mittels des Transistors Regelitnpulse zur Amplitudenverringerung beim Überschreiten einer bestimmten Oszillatorspannung erzeugt werden.

4. Taktgeber nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß zur Gleichrichtung der Oszillatorspannung ein Spitzengleichrichter (Dl) vorgesehen ist und daß die gleichgerichtete Spannung den Ausgangsstufen über die Mittelanzapfung (5) des Übertragers als Vorspannung zugeführt wird.

5. Taktgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ausgangsstufe zwei Dioden (D3, D4; D'3, D 4) mit den gleichen Anschlüssen an ein zugehöriges Ende der zweiten Wicklung angeschlossen sind, ein Transistor (T3; T¹ j5) mit seiner Basis-Emitter-Strecke zwischen den anderen Anschlüssen der beiden Dioden liegt, wobei der Emitter des Transistors einen Ausgang ($,; iL,) der Ausgangsstufe darstellt, und ein komplementärer Transistor (T4; T*4) mit seiner Basis an den Kollektor des ersten Transistors, mit seinem Kollektor an die BsbIs des ersten Transistors und mit seinem Emitter über einen Widerstand (R4; R'4) an die Mittelanzapfung (5) des Übertragers angeschlossen ist.

6. Taktgeber nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Mittelanzapfung (5) des Übertragers und dem Bezugspunkt (OV) eine Parallelschaltung aus einem Widerstand (R5) und einem Kondensator (C4) angeordnet ist.

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