DE2262782B1 - Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator - Google Patents

Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator

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Description

Die Erfindung betrifft einen mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauten Oszillator, bei welchem die Arbeitspunkte der Komplementärtransistoren durch Verändern zumindest eines Basisspannungsteilerwiderstandes einstellbar sind.
Ein derartiger Oszillator ist z. B. aus der deutschen Off enlegungsschrift 2 008 902 bekannt. In erster Linie liegt ihm die Aufgabe zugrunde, ein besonders amplitudenstabiles Ausgangssignal zu liefern. Hierzu sind die Basiselektroden der Komplementärtransistoren über zwei in Serie zueinander geschaltete Dioden miteinander verbunden, und als veränderbarer Basisspannungsteilerwiderstand ist ein Regeltransistor vorgesehen, dessen Basisanschluß das gleichgerichtete und geglättete Ausgangssignal des Oszillators als Regelgröße zugeführt wird. Die Amplitudenregelung erfolgt nun durch Verändern der Spannung am Verbindungspunkt der Emitter der Komplementärtransistoren in Abhängigkeit vom Regelstrom, wodurch sich die Emitter-Kollektorspannungen und damit der Begrenzungseinsatz ebenfalls verändern. Dabei erfolgt eine Verschiebung der Arbeitspunkte der Komplementärtransistoren so weit, als dies zur Konstanthaltung der Schwingamplitude erforderlich ist. Da die Vorspannung zwischen den Basiselektroden der Komplementärtransistoren durch die Dioden im wesentlichen konstant gehalten wird und außerdem ein den Transistoren gemeinsamer Gegenkopplungswiderstand eine Stromeinprägung bewirkt, läßt sich aber mit einer derartigen Regelung die Stromaufnahme der Schaltungsanordnung nicht beeinflussen.
Ferner ist aus der französischen Patentschrift 14Ί'2196 eine transistorisierte Oszillatorschaltung mit einer Gegentaktendstuf e bekannt, bei welcher der Rückkopplungsgrad mit Hilfe von temperaturabhängigen Widerständen in den Emitterkreisen der komplementären Endstufentransistoren geregelt wird. Zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren ist außerdem eine Serienschaltung zweier Dioden eingefügt. Die Dioden dienen hierbei lediglich der Erzeugung einer temperaturkompensierten Vorspannung für die Transistoren und sind nicht an der Regelwirkung beteiligt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Oszillator der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch einen besonders geringen Speisestrombedärf auszeichnet, vielseitig verwendbar und trotzdem einfach im Aufbau ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dieser veränderbare Widerstand zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren eingeschaltet und derart bemessen ist, daß die beim Schwingungseinsatz auf Α-Betrieb eingestellten Ar-
beitspunkte der Komplementärtransistoren mit zunehmender Schwingamplitude in den A-B-, den B- oder C-Betrieb verschoben werden.
Durch diese Maßnahmen erhält man einen Oszillator, bei welchem infolge des Α-Betriebs der verwendeten Komplementärtransistoren beim Einschalten der Versorgungsspannung in jedem Falle ein sicheres Anschwingen gewährleistet ist. Mit zunehmender Schwingamplitude wird der Widerstandswert des zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistören eingeschalteten veränderbaren Widerstands derart verringert, daß der Oszillator vom A-Betrieb in den A-B-Betrieb, den B- oder C-Betrieb übergeht. Durch Betätigung des zwischen die Basiselektroden eingeschalteten Widerstandes wird somit über die X5 Vorspannung des Gegentaktverstärkers der Stromflußwinkel der Komplementärtransistoren und damit die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators auf einfache Weise in weiten Grenzen eingestellt. Die Verstärkung der Komplementärtransistoren wird während des Anschwingens verringert, so daß deren Parallelbetrieb nur noch während eines Teiles der Periodendauer vorherrscht. Auf diese Weise wird eine Oszillatorschaltung erhalten, die sich durch äußerst geringen Speisestrombedarf und hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Als zusätzlicher Vorteil erweist sich, daß geradzahlige Harmonische der gewünschten Schwingung unterdrückt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als veränderbarer Widerstand ein mit seiner Kollektor-Emitterstrecke zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren eingeschalteter, in seiner Leitfähigkeit vom Ausgangssignal des Oszillators gesteuerter weiterer Transistor verwendet ist. Der weitere Transistor wird dabei vom Ausgangssignal des Oszillators derart angesteuert, daß seine Leitfähigkeit mit wachsender Schwingamplitude zunimmt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gegentaktschaltung zwei kollektorseitig unmittelbar jeweils an einen Pol der Versorgungsspannung angeschaltete Komplementärtransistoren enthält, daß diese emitterseitig über zwei in Serie zueinander liegende, gleich große ohmsche Widerstände miteinander verbunden sind und daß eine Rückführung vom Verbindungspunkt der beiden in den Emitterleitungen der Komplementärtransistoren liegenden Widerstände zu einem Schwingkreis vorgesehen ist und die Auskopplung der erzeugten Schwingung an diesem Schwingkreis erfolgt.
Wenn man in dieser Art verfährt, erreicht man auf einfache Weise, trotz des nichtlinearen Betriebs der Komplementärtransistoren im eingeschwungenen Zustand (B- oder C-Betrieb), daß der Klirrfaktor der am Schwingkreis selektiv ausgekoppelten Schwingung gering ist. Die somit erhaltene, einfach aufgebaute Oszillatorschaltung genügt damit gemäß der Güte der erzeugten Schwingung einer Vielzahl von Anwendungsfällen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht ferner darin, daß der Schwingkreis aus einer zu einem Schwingquarz parallelgeschalteten Serienschaltung eines ersten, zweiten und dritten Kondensators besteht und einerseits mit einem Anschluß des ersten Kondensators und dem ersten Anschluß des Schwingquarzes mit einem Pol der Versorgungsspannung, andererseits mit einem Anschluß des dritten Kondensators und dem zweiten Anschluß des Schwingquarzes mit den Basiselektroden der Komplementärtransistoren verbunden ist und daß ein Lastwiderstand zur Auskopplung der erzeugten Schwingung an den Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Kondensators und die Rückführung an den Verbindungspunkt des zweiten und des dritten Kondensators angeschaltet ist.
Auf diese Weise wird eine Oszillatorschaltung vom kapazitiven Dreipunkttyp mit aperiodischer Anregung des verwendeten Schwingquarzes erhalten. Die Schwingfrequenz ist dabei durch die Grundwelle des Schwingquarzes vorgegeben und ist bei feststehender Dimensionierung der Oszillatorschaltung durch Verwendung verschiedener Schwingquarze in einem Bereich von etwa ±10% um die Mittenfrequenz variierbar. Ferner wird durch die Selektivität des jeweils verwendeten Schwingquarzes bei der erzeugten Schwingung ein besonders geringer Klirrfaktor erzielt. Des weiteren ist noch von Vorteil, daß durch den mit dem Schwingquarz versehenen Schwingkreis, unter Vermeidung einer zusätzlichen Induktivität, eine Aufwärtstransformation des Lastwiderstandes erreicht wird. Infolge dieser Eigenschaften ist der vorliegende Oszillator vorteilhaft bei der Ausrüstung von Unterflurverstärkern von Trägerfrequenzsystemen als Ortungsoszillator verwendbar, da für derartige Oszillatoren nur sehr kleine Betriebsströme zur Verfügung gestellt werden können und außerdem ein schneller Frequenzwechsel, z.B. durch steckbare Schwingquarze im Ortungsfrequenzbereich durchführbar sein muß. Bei einem Trägerfrequenzsystem, das z. B. 2700 Sprachkanäle aufweist, erstreckt sich der Ortungsfrequenzbereich von 13,3 MHz bis 13,7 MHz. Für diesen gesamten Frequenzbereich ist dabei nur ein einziger Typ einer Oszillatorschaltung erforderlich. Die jeweils gewünschte Ortungsfrequenz wird durch Wahl des Schwingquarzes festgelegt.
Des weiteren ist es eine Ausgestaltung der Erfindung, daß ein emitterseitig an den Verbindungspunkt des zweiten und des dritten Kondensators, mit seiner Basiselektrode mit einem Pol der Versorgungsspannung und kollektorseitig mit der Basiselektrode des weiteren Transistors verbundener Steuertransistor vorgesehen ist und daß die Basis-Emitterstrecke des Steuertransistors mit einer antiparallel zur Basis-Emitterdiode geschalteten Diode überbrückt ist.
Der Steuertransistor, dessen Basis-Emitterdiode von einer Diode überbrückt ist, dient als Richtverstärker, er wird leitend, wenn das an der Serienschaltung des ersten und des zweiten Kondensators anliegende Ausgangssignal im Zuge des Anschwingvorgangs in seiner Amplitude die Schwellenspannung der Diode erreicht. Durch den Kollektorstrom des Steuertransistors wird der weitere Transistor leitend, so daß die Vorspannung der Komplementärtransistoren sinkt und diese vom Α-Betrieb in den B- oder C-Betrieb übergehen. Der gewünschte Wert der Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators ist durch Wahl der Kapazitätswerte des aus dem ersten und dem zweiten Kondensator gebildeten Spannungsteilers einstellbar, da die Referenzbildung der Amplitudenregelschleife an der Serienschaltung dieser beiden Kondensatoren stattfindet.
Ferner besteht eine Ausgestaltung der Erfindung darin, daß zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren eine Serienschaltung von vier in Durchlaßrichtung zur Versorgungsspannung gepolten Dioden eingeschaltet ist.
Durch diese Maßnahme erreicht man auf einfache Weise, daß der von der Oszillatorschaltung aufgenommene Betriebsstrom im Einschaltmoment und für den Fall, daß ein steckbarer Schwingquarz bei einem Frequenzwechsel aus seiner Fassung gezogen wird, auf einen festen Maximalwert begrenzt wird.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Im einzelnen zeigt
Fig. 1 eine Oszillatorschaltung, bei welcher als veränderbarer Widerstand zwischen den Basiselektroden der verwendeten Komplementärtransistoren ein Potentiometer vorgesehen ist, und
Fig. 2 eine spezielle Ausgestaltung der in Fig. 1 dargestellten Oszillatorschaltung.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten, in Gegentaktschaltung aufgebauten Oszillatoren weisen Komplementärtransistoren Tl, Tl auf und sind mit Anschlüssen 1,2 an die Versorgungsspannung U gelegt. Ferner ist ein aus der Serienschaltung eines ersten Cl, zweiten Cl und dritten Kondensators C3 und einem Schwingquarz Q bestehenden Schwingkreis vorgesehen, der durch den Gegentaktemitterfolger mit den Transistoren Tl und Tl in der Art einer Dreipunktschaltung angesteuert wird. Die wirksame Verstärkung der Transistoren Tl, Tl ist durch deren Emittcrwiderstände R3 und RA, die aus Symmetriegründen gleich groß sind, gegeben. Ebenfalls von gleicher Größe sind die Widerstände Rl und Rl, so daß im Ruhezustand der Verbindungspunkt der Emitterwiderstände R3 und R4 etwa bei der halben Versorgungsspannung U liegt. Die Belastung, dargestellt durch die Widerstände RS und R6, wird durch die Reihenschaltung der Kondensatoren Cl, Cl und C3 aufwärts transformiert; der Schwingquarz Q arbeitet dabei im induktiven Bereich und wird durch eine nicht näher dargestellte Kapazität gezogen (Lastkapazität), die in ihrem Kapazitätswert ungefähr dem aus der Serienschaltung der Kondensatoren Cl, Cl und C3 resultierenden Kapazität entspricht. Die Auskopplung des Ausgangssignals des Oszillators erfolgt bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung an den Anschlüssen 1, 3 in Fig. 2 an der Buchse B.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Oszillatorschaltung ist der Arbeitspunkt der Transistoren Tl, Tl durch die Stellung des als veränderbarer Widerstand zwischen deren Basiselektroden eingeschalteten Potentiometers P festgelegt. Für Wechselstrom arbeiten die Transistoren Tl, Tl in Parallelschaltung, sind aber für Gleichstrom in Serie geschaltet. Beim Anschwingen ist die wirksame Verstärkung in der Rückkopplungsschleife durch die Parallelschaltung der Emitterwiderstände i?3 und R4 festgelegt, solange die Schaltung im Betrieb arbeitet. Beim weiteren Ansteigen der Schwingamplitude wird der Widerstandswert des Potentiometers P verringert. Damit gehen die beiden Komplementärtransistoren Tl, Tl in den B- oder C-Betrieb über, ihre Verstärkung nimmt ab und der Parallelbetrieb besteht nur noch während eines Teils der Periodendauer. Durch Betätigung des Potentiometers P ist somit über die Vorspannung des Gegentaktverstärkers der Stromflußwinkel der Transistoren Tl, Tl und damit die Amplitude des Ausgangssignals des Oszillators in weiten Grenzen einstellbar. Durch diese Maßnahmen erhält man einen Gegentaktoszillator mit komplementären, in ihrem Betriebsstrom geschalteten Transistoren Tl, Tl, der sich durch einen äußerst geringen Speisestrombedarf und höhen Wirkungsgrad auszeichnet. Trotz des nichtlinearen Betriebs der Transistoren Tl, Tl ist ein guter Klirrabstand gewährleistet, weil die Auskopplung der als Ausgangssignal erzeugten Hochfrequenzspannung über einen durch den Schwingquarz Q und die Kondensatoren Cl, Cl, C3 gebildeten Schwingkreis mit entsprechender Selektion erfolgt. Geradzahlige Harmonische werden zusätzlich durch die Gegentaktanordnung unterdrückt. Der Quarzschwingkreis bewirkt außerdem eine Aufwärtstransformation des Lastwiderstandes RS, R6, die sonst nur unter Verwendung einer zusätzlichen Induktivität möglich ist.
*5 Bei der in Fig. 2 gezeigten Oszillatorschaltung ist das in Fig. 1 als veränderbarer Widerstand zwischen den Basiselektroden der Komplementärtransistoren Tl, Tl verwendete Potentiometer P durch einen weiteren Transistor Γ3 ersetzt. Parallel zur Kollektor-Emitterstrecke des Transistors Ti liegt die Diodenkette Dl, Dl, D3 und DA, die im Einschaltmoment und für den Fall, daß der steckbare Schwingquarz Q aus seiner Fassung gezogen wird, den aufgenommenen Betriebsgleichstrom auf einen festen Maximalwert begrenzt. Ein Steuertransistor TA dient zusammen mit der Diode D5 als Richtverstärker. Er wird leitend, wenn die Amplitude des an der Serienschaltung der Kondensatoren Cl, Cl liegenden Ausgangssignals einen Wert von etwa 0,6 V Spitzenspannung, dies entspricht der Schwellenspannung der Diode DS, erreicht. Durch den Kollektorstrom des Steuertransistors TA wird der weitere Transistor Γ3 leitend, so daß die Vorspannung der Gegentakttransistoren Tl, Tl entsprechend abnimmt. Während die Komplementärtransistoren Tl, Tl zu Beginn des Einschwingvorgangs im Α-Betrieb arbeiten, gehen sie ab einer gewissen Schwingamplitude bei abnehmender Vorspannung in den A-B-, B- oder C-Betrieb über. Die gewünschte Amplitude der Ausgangsspannung ist durch Wahl der Kapazitätswerte des ersten Cl und zweiten Kondensators Cl, die einen Spannungsteiler bilden, einstellbar, da die Referenzbildung der Amplitudenregelschleife an der Serienschaltung beider Kondensatoren Cl, Cl stattfindet. Der des weiteren vorgesehene Kondensator C6 dient der Ankopplung des Richtverstärkers an die Oszillatorschaltung, die Kondensatoren CA, CS, Cl sind Abblockkondensatoren.
Die Temperaturabhängigkeit der als Referenzgröße verwendeten Schwellspannung des Steuertransistors TA von etwa —2 mV/0C bedingt einen geringfügigen Temperaturkoeffizienten des Ausgangssignals von etwa —0,35 %/°C. Dieser Temperaturkoeffizient ist verringerbar, wenn man den Lastwiderstand RS beispielsweise durch eine Kombination eines Heißleiters mit einem ohmschen Widerstand ersetzt. Verwendet man bei der vorliegenden Oszillatorschaltung Schwingquarze verschiedener Güte, so treten im Quarzresonanzkreis, abgesehen von den durch die Auskopplung des Ausgangssignals bedingten Verlusten, unterschiedliche Verluste am Serienresonanzwiderstand der jeweiligen Quarze auf. Dies führt dazu, daß die Gegentakttransistoren im eingeschwungenen Zustand im Gegentakt-A-B-, Gegentakt-B- oder Gegentakt-C-Betrieb arbeiten. Im einzelnen bedingt ein hochohmiger Serienresonanzwiderstand relativ hohe Verluste und hat A-B-Betrieb der Komplementärtransistoren Tl, Tl zur Folge, ein niederohmiger Se-
rienresonanzwiderstand verursacht relativ wenig Verluste, was zum C-Betrieb der Komplementärtransistoren 71, Tl führt. In allen Fällen erfolgt jedoch die Amplitudenregelung durch Veränderung des Stromflußwinkels der Transistoren 71, Tl.
Die Anwendung der dargestellten Oszillatorschaltung ist vor allem in den Fällen vorteilhaft, bei denen ein sehr kleiner Stromverbrauch und ein schneller Frequenzwechsel erwünscht sind. Beispielsweise finden derartige Oszillatoren bei einem Trägerfrequenzsystem mit 2700 Sprachkanälen als Ortungsoszillatoren Verwendung, die mit sehr kleinem Speisestrom (< 2 mA) betrieben werden und bei denen ein leichter Frequenzwechsel durch steckbare Quarze in einem Bereich von 13,3 MHz bis 13,7 MHz erforderlich ist. Die Auskopplung der Schwingspannung, die in ihrer
Frequenz der Grundwelle des verwendeten Schwingquarzes Q entspricht, erfolgt direkt am Quarzschwingkreis, wobei die niederohmige Last RS, R6 ohne Verwendung einer Induktivität oder eines Übertragers aufwärts transformiert wird. Die gesamte Gleichstromaufnahme beträgt beispielsweise bei einer Betriebsspannung von 15 V... 18 V 1,4mA. Als Ausgangsspannung ergibt sich dabei eine Spannung von 86,5 mV an einem Widerstand von 75 Ω bei einem Innenwiderstand von ebenfalls 75 Ω. Unter den Gesichtspunkten eines möglichst hohen Wirkungsgrades und kleinen Klirrfaktors ist bei feststehender Dimensionierung der Oszillatorschaltung unter Verwendung verschiedener Schwingquarze einwandfreier Betrieb
*5 im Bereich von etwa ±10% um die Mittenfrequenz erzielbar.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (6)

Patentansprüche:
1. Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator, bei welchem die Arbeitspunkte der Komplementärtransistoren durch Verändern zumindest eines Basisspannungsteilerwiderstandes einstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß dieser veränderbare Widerstand zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren eingeschaltet und derart bemessen ist, daß die beim Schwingungseinsatz auf Α-Betrieb eingestellten Arbeitspunkte der Komplementärtransistoren mit zunehmender Schwingamplitude in den A-B-, den B- oder C-Betrieb verschoben werden.
2. Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderbarer Widerstand ein mit seiner Kollektor-Emitterstrecke zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren eingeschalteter, in seiner Leitfähigkeit vom Ausgangssignal des Oszillators gesteuerter weiterer Transistor verwendet ist.
3. Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegentaktschaltung zwei kollektorseitig unmittelbar jeweils an einen Pol der Versorgungsspannung angeschaltete Komplementärtransistoren enthält, daß diese emitterseitig über zwei in Serie zueinander liegende, gleich große ohmsche Widerstände miteinander verbunden sind und daß eine Rückführung vom Verbindungspunkt der beiden in den Emitterleitungen der Komplementärtransistoren liegenden Widerstände zu einem Schwingkreis vorgesehen ist und die Auskopplung der erzeugten Schwingung an diesem Schwingkreis erfolgt.
4. Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis aus einer zu einem Schwingquarz parallelgeschalteten Serienschaltung eines ersten, zweiten und dritten Kondensators besteht und einerseits mit einem Anschluß des ersten Kondensators und dem ersten Anschluß des Schwingquarzes mit einem Pol der Versorgungsspannung, andererseits mit einem Anschluß des dritten Kondensators und dem zweiten Anschluß des Schwingquarzes mit den Basiselektroden der Komplementärtransistoren verbunden ist, und daß ein Lastwiderstand zur Auskopplung der erzeugten Schwingung an den Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Kondensators und die Rückführung an den Verbindungspunkt des zweiten und des dritten Kondensators angeschaltet ist.
5. Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein emitterseitig an den Verbindungspunkt des zweiten und des dritten Kondensators, mit seiner Basiselektrode mit einem Pol der Versorgungsspannung und kollektorseitig mit der Basiselektrode des weiteren Transistors verbundener Steuertransistor vorgesehen ist und daß die Basis-Emitterstrecke des Steuertransistors mit einer antiparallel zur Basis-Emitterdiode geschalteten Diode überbrückt ist.
6. Mit komplementären Transistoren in Gegentaktschaltung aufgebauter Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Basiselektroden der Komplementärtransistoren eine Serienschaltung von vier in Durchlaßrichtung zur Versorgungsspannung gepolten Dioden eingeschaltet ist.
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