DE2336140A1 - Einrichtung zur synchronisierung eines freischwingenden oszillators auf eine referenzschwingung - Google Patents

Einrichtung zur synchronisierung eines freischwingenden oszillators auf eine referenzschwingung

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DE2336140A1 DE19732336140 DE2336140A DE2336140A1 DE 2336140 A1 DE2336140 A1 DE 2336140A1 DE 19732336140 DE19732336140 DE 19732336140 DE 2336140 A DE2336140 A DE 2336140A DE 2336140 A1 DE2336140 A1 DE 2336140A1
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Description

Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf eine Referenzschwingung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf eine Referenzschwingung, die eine Subharinonische der Oszillatorfrequenz bildet, bei der einem Phasendiskriminator die Oszillatorschwingung unmittelbar und die Referenzschwingung nach Umformung in Einzelpulse zugeführt wird, und die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators einem frequenzbeeinfluösenden Element des Oszillators über einen Tiefpaß zugeführt wird.
Durch "Proceedings of the IRE», Nov.1956, Seiten 1582 bis 1594j ist eine derartige Schaltung bekannt, bei der im Phasendiskriminator die schmalen Einzelimpulse der Referenzschwingung der Schwingung des freischwingenden Oszillators aufaddiert werden. Liegt die Frequenz des freischwingenden Oszillators von der Harmonischen des Referenzoszillators ab, so entsteht eine entsprechende Schwebungsfrequenz am Ausgang dieser Schaltung Ist lediglich eine Phasenablage vorhanden, so entsteht entsprechend dieser Phasenablage eine Zu- oder Abnahme der Ausgangsspannung, je nachdem zu welchem Zeitpunkt einer Periode der Schwingung des freischwingenden Oszillators der Puls des Referenzoszillators zugeführt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber diesem Stand der Technik vereinfachte und besser wirksame Schaltung anzugeben, die nicht nur das obengenannte Problem gut löst, sondern mit deren Hilfe es auch möglich ist, das Fangen des freischwingenden Oszillators zu er-
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leichtern.
Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf eine Referenzschwingung, die eine Subharmonische der Oszillatorfrequenz bildet, bei der einem Phasendiskriminator die Oszillatorschwingung unmittelbar und die Referenzschwingung nach Umformung in Einzelpulse zugeführt wird, und die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators einem frequenzbeeinflussenden Element des Oszillators über einen Tiefpaß zugeführt wird, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Phasendiskriminator als Schalter ausgebildet ist, der von den Einzelimpulsen gesteuert jeweils für annähernd die Dauer einer Halbperiode der Oszillatorschwingung diese Schwingung auf den Ausgang des Phasendiskriminators durchschaltet.
Durch diese Art des Phasenvergleichs entsteht am Ausgang der Phasendiskriminatorschaltung unmittelbar eine positive oder negative Gleichspannungskomponente, je nachdem ob die Mitte des Einzelimpulses rechts oder links vom Nulldurchgang der zu synchronisierenden Schwingung zu liegen kommt.
Besonders bei dieser Art der Schaltung des Phasendiskriminators ist eine Einrichtung zur Erweiterung des Fangbereiches vorteilhaft, die darin besteht, daß in der Nachstimmleitung für den freischwingenden Oszillator ein Verstärker liegt, der eine nur für Wechselspannungen wirksame Rückkopplung aufweist, mit solcher Dimensionierung der zugehörigen Zeitglieder im Rückkopplungskreis, daß der Verstärker nach Anstoß durch die bei Ausfall der Synchronisation auftretende Differenzschwingung eine gedämpfte Schwingung ausführt.
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Die in der Nachregelschleife gelegenen Elemente einschließlich insbesondere des Tiefpasses sollten so gewählt sein, daß die Grenzfrequenz der Naehregelschleife in denjenigen Frequenzbereich und vorzugsweise etwas darunter gelegt ist, in dem der Phasenrausehbeitrag des Referenzoszillators, gemessen im Ausgangssignal des freischwingenden Oszillators, gleich dem des'freischwingenden Oszillators ist.
Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes finden sich in den Ansprüchen 4- bis 8.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Die Fig.1 zeigt ein Blockschaltbild der Synchronisiereinrichtung gemäß der Erfindung;
die Fig.2 zeigt ein Pulsschema zur Erläuterung der Punktion des Erfindungsgegenstandes;
die Fig.3 zeigt das Schaltbild des Phasenvergleichers mit nachfolgendem gekoppelten Verstärker;
die Fig.4 zeigt schließlich eine Pulsdarstellung zur Erläuterung der Funktion des Pulserzeugers .
In der Fig»1 ist G2 ein freischwingender Oszillator, der ein Frequenznachstellglied hat, meist in Form einer Kapazitätsdiode, deren Vorspannung durch die vom Phasendiskriminator D abgegebene Stellspannung gebildet wird. Der Generator G2 schwingt auf einer sehr hohen Frequenz, beispielsweise bei etwa 700 MHz und soll dabei trotzdem auf eine Quarzfrequenz mit wesentlich niedrigerer Frequenz
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direkt phasensynchronisiert werden. Der Quarzoszillator G1, der die Frequenz fq abgibt, liegt dabei beispielsweise auf einer Frequenz von etwa 90 Megahertz. Seine Schwingungen werden in einer Pulsformerstufe PF in Rechteckoder Dreieckschwingungen umgesetzt, deren Pulsdauer etwa der Breite einer Halbwelle der vom Generator G2 abgegebenen Schwingung fo entspricht. Da für die Versorgung des Phasendiskriminators D, der hier zum Zweck der guten Entkopplung der Generatoren G1 und G2 in Brückenschaltung ausgeführt ist, Gegentaktimpulse benötigt werden, ist noch eine Pulsumkehrstufe PU vorgesehen, um an deren Ausgang gegenphasige gleichgroße Pulse zu erhalten. Dem Phasendiskriminator D werden andererseits die Schwingungen des Generators G2 zugeführt. Durch den Vergleich beider Schwingungen entsteht eine Gleichspannung oder eine langsam sich ändernde Wechselspannung, die vom Verstärker V über einen Tiefpaß TP dem Frequenznachstellglied des Generators G2 zugeführt wird.
Die Funktion der Einrichtung läßt sich besser anhand des in der Fig.2 dargestellten Impulsschemas zeigen.
Die Fig.2 zeigt in der Zeile a den sinusförmigen Verlauf der Ausgangsspannung des Quarzoszillators G1 mit der Frequenz fq. Dessen Schwingung wird bei jeweils einer Periode ein kurzer Puls entnommen, der in der Zeile b dargestellt ist und natürlich auch von verschilffener Form sein kann. In den Zeilen c und e ist eine der Halbwellen der Hochfr equenzschwingung der Frequenz fo des Generators G2 dargestellt, die hier gleichzeitig mit dem Impuls aus Zeile b eintrifft. Da der Diskriminator D wie ein Schalter wirksam ist, wird diese Halbwelle jeweils auf den Ausgang des Phasendiskriminators D durchgeschaltet. Da in diesem Fall die Phasenablage zwischen dem Impuls des Quarzoszillators G1 und der Halbwelle des freischwingenden Oszillators G2
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Null ist, erscheint im Mittel eine positive Regelspannung Ujj *tt 1 am Ausgang des PhasendisVriminators D. In der nächsten Zeile d ist der Fall dargestellt, bei dem die beiden Schwingungen eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen. Da nun durch den Auftastimpuls des Quarzoszillators GM beide Halbwellen der Hochfrequenzschwingung fo zu gleichen Teilen auf den Ausgang des Diskriminators geschaltet werden, erscheint im Mittel die Regelspannung UjJ m^++eT =0· Die nächste Zeile e zeigt den zur Zeile c umgekehrten Pail (Phasenverschiebung um 180°), d.h., daß der Auftastimpuls stets die negative Halbwelle der Hochfrequenz durchschaltet, wodurch sich im Mittel eine negative Regelspannung am Ausgang des Phasendiskriminators ergibt. Aus dieser Darstellung geht hervor, daß dann, wenn die Auftastimpulsbreite etwa der Halbwellenbreite des sinusförmigen Ausgangssignals des Hochfrequenzgenerators G2 entspricht, am Ausgang des Phasendiskriminators je nach positiver oder negativer Phasenablage eine entgegengesetzt gepolte Gleichspannung erscheint. Diese Spannung steigt wegen der verwendeten Pulsbreite erheblich an, wodurch eine große Regelsteilheit erzielt wird und ein vergrößerter Pang- und Haltebereich.
In der Pig.3 ist ein Schaltbild für eine vorteilhafte Ausführung der Einheiten PP, PU, D, V und TP des Prinzipschaltbildes nach der Pig.1 dargestellt. Am Eingang dieser Einrichtung erscheint das Ausgangssignal fq des Quarzoszillators Gr1. Diese Schwingung gelangt über ein Anpassungsglied an eine sogenannte step-reeovery-Diode D1. Diese Diode ist über einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R1 und der Zenerdiode D2 sowie dem Vorwiderstand R2, geringfügig in Plußrichtung vorgespannt. Bei der negativen Halbwelle der Sinusschwingung fq wird in dieser Periode Ladung gespeichert, da in sie ein weiterer Vorwärtsstrom fließt. Dieser Strom ist in der Fig.4, Zeile a
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gestrichelt dargestellt. In der positiven Halbwelle fließt der Strom in umgekehrter Richtung, so daß die Ladung wieder aus der Diode entfernt wird. Während Strom fließt, bleibt die Spannung U an der Diode begrenzt, wenn jedoch die ganze gespeicherte Ladung ausgeräumt ist, springt der Strom in der Zeit t, auf Null und die Spannung an der Dioede nimmt den durch das Signal fq gegebenen Wert an. Die Spannung U an der Diode hat somit den durch die ausgezogene Kurve bei Fig.4, Zeile a gegebenen Verlauf. Der Sprung von Strom und Spannung ist um die Zeit t . gegenüber dem Beginn der positiven Halbwelle verzögert. Der dazugehörige Stromverlauf ist in der Zeile d der Pig.4 gegeben. Die auf diese Weise am Hochpunkt der Diode entstehende Welle mit stexler Porderflanke, die durch die obere Kurve der Pig.4, Zeile c gegeben ist, läuft anschließend in eine am Ende kurzgeschlossene Leitung L, die über einen Blockkondensator C1 unmittelbar am oberen Diodenanschluß liegt. Die Spannung wird am Ende reflektiert und kommt mit einem Phasensprung von 180° wieder an den erwähnten Diodenanschluß zurück, wodurch sie sich mit der ersten Welle überlagert. Die Rückwärtswelle ist im unteren Teil der Pig.4c dargestellt. Am Überlagerungspunkt entsteht so aus jeder positiven Halbwelle der Schwingung fq ein kurzer Impuls mit der Breite t , der über die Kapazität C2 einem Impulstransformator JT zugeführt wird. Da der nachfolgende Phasendiskriminator, der als Schalter ausgebildet ist, völlig symmetrisch arbeiten nniß, soll der Impulstransformator in seiner Sekundärwicklung einen genau gleich großen, jedoch entgegengesetzt gerichteten Impuls erzeugen. Die beiden gleichen, jedoch um 180° phasengedrehten Impulse gelangen über die Kondensatoren C3» C4 gleichen Wertes über die Widerstände R3, R4 an die eigentliche Phasenbrücke. Diese besteht im wesentlichen aus zwei schnellschaltenden Dioden D3 und D4, die zweckmäßig als Schottky-barrier-Dioden ausgebildet sind. Die Dioden sind gleichspannungsmäßig
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in Sperrichtung vorgespannt. Zusammen mit den "beiden gleich großen Widerständen R5 "und R6 bilden sie eine symmetrische Brückenschaltung. Diese Symmetrie ist erforderlich, um eine gute Entkopplung zwischen dem Hochfrequenzoszillator G 2 und dem Quarzfrequenzgenerator G1 zu erzielen, damit bei der Ausgangsfrequenz Nebenwellen im Abstand der Quarzfrequenz vermieden v/erden. Auch die übrigen nicht gezeichneten Y/iderstände für die Zuführung der Vorspannung zur Brücke sind entsprechend symmetrisch ausgebildet. Die Schwingung fo des freischwingenden Oszillators G2 wird über ein nicht bezeichnetes Anpaßglied dem Symmetriepunkt der Brücke zwischen den Y/iderständen R5 und R6 zugeführt.
Durch die ankommenden Impulse vom Impulstransformator wird der Phasendiskriminator im Rhythmus der Quarzfrequenz für die Dauer der Halbwellen des Hochfrequenzoszillators G2 geöffnet. Die am Symmetriepunkt der Brücke anliegende !Frequenz fo liefert am Ausgang des Phasendiskriminators eine kleine Spannung, die nach Größe und Richtung den Phasenunterschied zwischen beiden Oszillatoren vriederspiegelt. Eine kleine Kapazität C5 am Ausgang A der Phasenbrücke sorgt dafür, daß das Signal des freischwingenden Hochfrequenzpszillators G2 eine Ableitung nach Masse findet. Außerdem wirkt diese Kapazität als ladekondensator, der über die Periode der Quarzfrequenz integriert.. Die Vorspannung des Phasendiskriminators wird durch das Potentiometer P so eingestellt, daß die Öffnung des Phasendiskriminators nur durch die Pulse erfolgt, nicht aber durch die kleinere Amplitude der Hochfrequenzschwingung fo.
Me am Punkt A erscheinende Regelspannung könnte nun an sich unmittelbar bzw. über einen Tiefpaß bzw. "Verstärker dem Prequenznachstellglied des freischwingenden Oszilla-
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tors G 2 zugeführt werden, um diesen in der Phase starr an die Quarzfrequenz anzubinden. Da es jedoch immer nötig ist, eine Einrichtung vorzusehen, die beim Einschalten der ganzen Anlage bzw. beim Außertrittfallen den Oszillator G 2 in die Nähe der Oberwelle der Quarzfrequenz bringt, wird häufig eine sogenannte Fangeinrichtung vorgesehen. Diese besteht hier aus einem Verstärker V, der gleichzeitig eine Regelspannungsverstärkung liefert und ferner in vorteilhaft einfacher Weise als Fangeinrichtung ausgebildet ist. Dieser Verstärker überträgt normalerweise die sehr langsam sich ändernde Nachstellspannung, die am Punkt a erscheint. Da eine schnelle Änderung der Nachstellspannung besagt, daß der Oszillator außer Tritt ist, kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch eine für Wechselspannungen wirksame Rückkopplung des Verstärkers dieser beim Auftreten einer Wechselspannung am Punkt a eine Teilschwingung mit relativ großer Amplitude durchführen. Die an seinem Ausgang erscheinende Nachstellspannung UR, die letztlich zur Nachstimmdiode des freischwingenden Oszillators G 2 gelangt, wird zu irgendeinem Zeitpunkt bzw. zu irgendeiner Amplitude den freischwingenden Oszillator in den Synchronisierzustand versetzen. Die Rückkopplungsimpedanz besteht zweckmäßig aus einer Kapazität C10 in Serie mit einem Widerstand R12 und ist so zu dimensionieren, daß der Verstärker dann kurzzeitig eine langsame Schwingung ausführt, wenn auf seinen Eingang ein Spannungsstoß gelangt. Ein solcher Spannungsstoß tritt immer dann auf, wenn der Oszillator plötzlich außer Tritt fällt oder eine Frequenzablage beim Einschalten der Einrichtung vorliegt. Dann steht nämlich am Ausgang des Diskriminators eine Wechselspannung mit der Differenz zwischen Soll- und Ist-Schwingung. Bei einer Phasenregelzeichnung ist dies normalerweise die Differenz der Frequenzen der beiden Generatoren G1 und G2.
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Damit der Verstärker V die kurzzeitige Schwingung ausführt, und damit die Regelspannung TJR beaufschlagt, muß er über eine Reaktanz rückgekoppelt werden. In der Schaltung gemäß der Pig.3 erfolgt diese Rückkopplung über die Kapazität C10 und den Y/iderstand R12. Die Dimensionierung dieser Rückkopplungsschleife ist so vorgenommen, daß der Verstärker bei Auftreten des obenerwähnten Kriteriums an seinem Eingang einen Schwingungszug mit niedriger Frequenz ausführt. Beim Ausführungsbeispiel ist C1O und R12 so dimensioniert, daß die Frequenz 1 Hz ist. Um die Rückkopplungsbedingungen zu erfüllen, ist der Verstärker zweistufig mit den beiden Transistoren T1 und T2 ausgeführt. Besonders vorteilhaft ist ein Differenzverstärker, wie er hier vorliegt, deshalb, weil dann gleichzeitig die Uachstellspannung, die hier vom Kollektorwiderstand R16 des Transistors T1 abgenommen ist, in eine Größenordnung gebracht werden kann, die im Arbeitsbereich von Kapazitätsvariationsdioden liegt. Solche Dioden werden bekanntlich meist als Nachstellelemente für Oszillatoren benutzt. Mit den Widerständen R13, RH, R15, den Kollektorwiderständen R16 und R17 und den Widerständen R18, R19 zur Einstellung der Basisvorspannung des Transistors T2 wird im we sent liehen der erwähnte mittlere Arbeitspunkt festgelegt. Die Nachsteuerspannung wird am Kollektor des Transistors T1 entnommen und durch die Kapazität C13 weitgehend von Wechselspannungsanteilen der Differenzfrequenz befreit. Zur Erleichterung des Fangvorganges ist es vorteilhaft, die Geschwindigkeit der Frequenzänderung beim Schwingen des Verstärkers im ganzen Suchbereich nahezu konstant zu halten. Aus diesem Grund ist dem Kollektorwiderstand des Transistors T2 ein Kondensator C12 parallel geschaltet, der eine hohe Umladezeitkonstante hat und dadurch die Form des Suchvorganges bestimmt.
Der in Serie zum Siebkondensator C13 noch eingeschaltete VPA 9/64i/2O26a . - 10 -
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Widerstand R20 dient dazu, um den Frequenzgang der Regelschleife mitz\ib.;stimmen. Der Frequenzgang wird bekanntlich noch durch die Empfindlichkeit des Diskriminator, die Verstärkung des Verstärkers V und die Eigenschaften der Naehstimmdioden beeinflußt.
Der Widerstand R11 am Eingang E der Schaltung dient der Entkopplung gegenüber dem vorgeschalteten Diskriminator. Im Au3führungsbeispiel liegen folgende Werte der Schaltelemente vor.
R15 = 4,7 K; R13 = 100 Ω; RH = 100 Ω;
R18 = 3,9 K; R11 = 100 Q; R12 = 20 K;
C10 - 2γΖ\ R19 = 12 K; R20 = 160 R1;
R16 = 20 K; R17 = 20 K; C12 = 22yuF;
C13 = 330 nF.
Dabei wurde der freischwingende Oszillator bei etwa 700 MHz auf die achte Oberwelle eines Quarzoszillators stabilisiert.
Ist beim Einschalten dieser Schaltung der freischwingende Oszillator so eingestellt, daß seine Frequenz im Haltebereich der Phasenregelung liegt, so schwingt der Verstärker T1, T2 einmal durch. Die Differenzfrequenz wird bei Annäherung an die Synchronisierung schnell kleiner, wodurch die Wirksamkeit der Wechselspannungsrückkopplung des Verstärkers abnimmt und den Suchvorgang beendet. Liegt die Frequenz des freischwingenden Oszillators so weit von der Sollfrequenz ab, daß die Phasenregelung nicht fangen kann, so tritt auf der Regelspannungsleitung im ganzen Nachstimmbereich eine Schwingung von 1 Hz auf, die unter anderem als Anzeigekriterium für Nichtsynchronisierung
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verwendet werden kann.
8 Patentansprüche 4 Figuren
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    .' Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf eine Referenzschwingung, die eine Subharmonische der Oszillatorfrequenz; bildet, bei der einem Phasendiskriminator die Oszillatorschwingung unmittelbar und die Referenzschwingung nach Umformung in Einzelpulse zugeführt wird, und die Ausgangsspannung des Phasendiskriminators einem frequenzbeeinflussenden Element des Oszillators über einen Tiefpaß zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendiskriminator als Schalter ausgebildet ist, der von den Einzelimpulsen gesteuert jeweils für annähernd die Dauer einer Halbperiode der Oszillatorschwingung diese Schwingung auf den Ausgang des Phasendiskriminators durchschaltet.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß in der Nachstimmleitung für den freischwingenden Oszillator ein Verstärker liegt, der eine nur für Wechselspannungen wirksame Rückkopplung aufweist, mit solcher Dimensionierung der zugehörigen Zeitglieder im Rückkopplungskreis, daß der Verstärker nach Anstoß durch die bei Ausfall der Synchronisation auftretende Differenzschwingung eine gedämpfte Schwingung ausführt.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Grenzfrequenz der Nachregelschleife in denjenigen Frequenzbereich und vorzugsweise etwas darunter gelegt ist, in dem der Phasenrauschbeitrag des Referenzoszillators, gemessen im Ausgangssignal des freischwingenden Oszillators, gleich dem des freischwingenden Oszillators ist.
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  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß in Reihe zur Querkapazität im Tiefpaß der Nachregelleitung ein Widerstand liegt, der in bezug auf die üblicherweise zur Hochfrequenzabblockung der Regelspannungsschleife dieser parallel geschaltete Kapazität derart gewählt ist, daß das Phasenrauschen des Oszillators gering wird.
  5. 5» Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet , daß die bei Selbsterregung des Verstärkers auftretende Frequenz durch Wahl der Elemente im Rückkopplungsweg derart gewählt ist, daß der Pangvorgang mit einem z.B. optischen Anzeigegerät beobachtbar ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Verstärker zweistufig ausgebildet ist und die Rückkopplung aus der Serienschaltung eines V/lderstandes und einer Kapazität rom Ausgang der zweiten auf den Eingang der ersten Stufe vorgenommen ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitkonstante der Serienschaltung von Widerstand und Kapazität im Rückkopplungszweig so bemessen ist, daß die angefachten Schwingungen eine Frequenz von ungefähr 1 Hz haben.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet , daß der Verstärker als Tran-, sistorverstärker in Emitterschaltung ausgebildet ist, bei dem die Kollektorwiderstände im Vergleich zum gemeinsamen Emitterwiderstand des Differenzverstärkers relativ hoch bemessen sind, und daß die Abnahme des Regelkriteriums am Kollektorwiderstand des ersten Tran-
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    sistors vorgenommen ist, daß ferner den Kollektorwiderstand des zweiten Transistors ein Kondensator mit großer Kapazität parallel geschaltet ist.
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DE19732336140 1973-07-16 1973-07-16 Einrichtung zur Synchronisierung eines freischwingenden Oszillators auf die Referenzschwingung eines Quarzoszillators Expired DE2336140C3 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3130711A1 (de) * 1981-08-03 1983-02-17 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Phasengeregelter oszillator

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