DE2345262C3

DE2345262C3 - Oscillator with an amplifier and a surface wave delay line

Info

Publication number: DE2345262C3
Application number: DE19732345262
Authority: DE
Inventors: Stephen Cecil Boreham Chelmsford Essex Gratz (Grossbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1972-09-08
Filing date: 1973-09-07
Publication date: 1976-07-15

Description

bestimmt ist, wobei /₀ gleich _d ist.is determined, where / _{0 is} equal to _d .

Die Breite I f in Fig. 1 ist in Beziehung gesetzt zu der Zahl von Fingerpaaien N in dem WandlerThe width I f in Figure 1 is related to the number of finger pairs N in the transducer

durch die Gleichung -^- = ff oder I/ = ^. Die jd Wdl iby the equation - ^ - = ff or I / = ^. The jd Wdl i

Die Erfindung betrifft einen Oszillator mit einem Verstärker und einer Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung, die in einen regenerativen Rückkopplungsweg des Verstärkers eingeschaltet ist und einen Ausgangs- sowie einen Eingangs'vandler aufweist, die auf derselben Fläche eines piezoelektrischen Kristalls angeordnet sind und von denen jeder kammähnliche Elektroden mit fingerartig ineinandergesetzten Zähnen aufweist.The invention relates to an oscillator with an amplifier and a surface wave delay line, which is switched into a regenerative feedback path of the amplifier and one Output as well as an input converter, which on the same surface of a piezoelectric Crystals are arranged and each of which has comb-like electrodes with nested fingers Has teeth.

Aus der DT-OS 21 31 899 ist eine piezoelektrische Verzögerungsleitung mit einem Eingangsumsetzer zur Auslösung von piezoelektrischen Oberflächenwellen und einem Ausgangsumsetzer zur Feststellung des Auftretens dieser Oberflächenwellen bekannt. Dabei kann ein zu verzögerndes elektrisches Signal durch den Ausgangswandler in eine akustische Welle umgewandelt und als Oberflächenwelle zu dem Eingangswandler geleitet werden, der nach einer Zeitverzögerung, die gleich der Zeit ist, die die Oberflächenwelle benötigt, um sich zwischen den Wandlern auszubreiten, das ursprüngliche Signal wieder produziert. Bei der bekannten Verzögerungsleitung sind mehrere getrennte Ausgangswandler in unterschiedlichen Abständen vom Eingangswandler dargestellt und beschrieben. From DT-OS 21 31 899 is a piezoelectric delay line with an input converter for Triggering of piezoelectric surface waves and an output converter to determine the The occurrence of these surface waves is known. An electrical signal to be delayed can pass through the output transducer is converted into an acoustic wave and conducted as a surface wave to the input transducer, which after a time delay, which is equal to the time it takes for the surface wave to propagate between the transducers, the original signal is produced again. In the known delay line there are several separate output transducers shown and described at different distances from the input transducer.

Bei einem Oszillator mit einer Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung wird gefordert, daß nach der Verzögerung in der Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung das Verstärker-Ausgangssignal in Phase mit dem Eingangssignal ist und daß die Abschwächung in der Rückkopplungsschleife auf Grund der Einfügungsdämpfung der Verzögerungsleitung geringer ist als der Verstärkungsfaktor des Verstärkers.For an oscillator with a surface wave delay line it is required that after the delay in the surface acoustic wave delay line the amplifier output signal is in phase with the input signal and that the attenuation in of the feedback loop due to the insertion loss of the delay line is less than the gain of the amplifier.

Die am meisten bei solchen Oberflächenwellen-Verzögerungsleitungen benutzten Wandler bestehen aus einem Paar von intcrdigitalisierten, kammähnlichen Elektroden, die als eine Schicht auf dem piezoelektrischen Kristall abgeschieden sind, der üblicherweise ein Quarz oder ein Lithiumniobat ist. Die Ein-The most common in such surface acoustic wave delay lines The transducers used consist of a pair of intcrdigitalized, comb-like Electrodes deposited as a layer on the piezoelectric crystal, usually is a quartz or a lithium niobate. The A-

d ^ ff d ^ ff ^^

Frequenzelektrizität jedes Wandlers nimmt somit mit der Zahl von Zähnen zu.Frequency electricity of each transducer thus increases with the number of teeth.

Wenn der Abstand zwischen den Zentren des Ausgan as Wandlers und des Eingangswandlers D beträgt, dann wiederholt sich die Phasen-Übertragungs-Charakteristik der Oberflächenwellen-Verzögerungsleituni: bei Frequenzintervallen von I /' gleich -j. WennIf the distance between the centers of the output transducer and the input transducer is D , then the phase transfer characteristic of the surface wave delay line is repeated: at frequency intervals of I / 'equal to -j. When

I f klein im Vergleich zu I/ ist. würden mehr als eine Frequenz in dem Bereich I/ vorhanden sein, bei denen beide Erfordernisse für eine Schwingung erfüllt wären, und der Oszillator würde eine Schwin-"ungs-lnstabilität aufweisen. Es ist nicht erwünscht. ^C| f übermäßig zu vergrößern, da hierdurch i'^l> (= 7!) und die Frequenzstabilität des Oszilla-I f is small compared to I /. there would be more than one frequency in the range I / at which both requirements for oscillation were met, and the oscillator would exhibit oscillation instability. It is not desirable ^{to increase C} | f excessively because it does so i '^l> (= 7!) and the frequency stability of the oscillating

df \ J 1df \ J 1

tors reduziert werden.tors are reduced.

Aus der deutschen Patentschrift 8 18 376 ist eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Schwingungen von der Frequenz einer Harmonischen der Grundfrequenz eines piezoelektrischen Steuerkristalls bekannt, welcher einen mit einem Schwingungskreis verbundenen Verstärker aufweist, der, wenn er einmal auf eine Harmonische der Grundresonanzfrequenz eines St-uerkristalls abgestimmt ist und wenn der Verstärkungsgrad des Verstärkers einen bestimmten Betrag übersteigt, im Schwingungszustand gehalten werden kann. Bei dieser bekannten Einrichtung besitzt der Verstärker sowohl eine phasendrehende als auch eine phasengetreue Rückkopplung, und der piezoelektrische Kristall ist dabei so geschaltet, daß mit ihm die Beziehung zwischen der phasengetreuen und der phasendrehenden Räckkopplungsschleife und infolgedessen auch der Verstärkungsgrad des Verstärkers in Abhängigkeit von Änderungen in der Abstimmung des Schwingkreises geändert werden kann. Der Generator-Schwingkreis wirkt dabei so, daß dann, wenn der Schwingungskreis auf die Frequenz der Harmonischen abgestimmt ist. die relativen Grade der phasengetreuen und der phasendrehenden Rückkopplung in einem solchen Verhältnis zueinander stehen, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers den genannten bestimmten Betrag übersteigt und daß dann, wenn der Schwingungskreis auf andere Frequenzen innerhalb eines relativ breiten Bandes beiderseits der Frequenz der Harmonischen abgestimmt wird, die relativen Werte der phasengetreuen und der phasendrehenden Rückkopplung in einem Verhältnis zueinander stehen, daß der Gesamtverstärkungsgrad des Verstärkers kleiner als der genannte bestimmte Wert wird. Eine Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung ist jedoch bei diesem kristallgesteuerten Oszillator nicht vorgesehen.From the German patent 8 18 376 a device for generating electrical vibrations is known from the frequency of a harmonic of the fundamental frequency of a piezoelectric control crystal, which has an amplifier connected to an oscillation circuit, which, once it is tuned to a harmonic of the fundamental resonance frequency of a St-uerkristalls and if the The gain of the amplifier exceeds a certain amount, kept in the oscillation state can be. In this known device, the amplifier has both a phase rotating and an in-phase feedback, and the piezoelectric crystal is connected so that with it the relationship between the in-phase and phase rotating feedback loops and, consequently also the gain of the amplifier as a function of changes in the tuning of the oscillating circuit can be changed. The generator oscillating circuit acts so that when the Oscillating circuit is tuned to the frequency of the harmonics. the relative degrees of the in-phase and the phase rotating feedback are in such a relationship that the overall gain of the amplifier exceeds the specified amount and that then, when the oscillation circuit is at other frequencies within a relatively wide band on either side of the Frequency of the harmonics is tuned, the relative values of the in-phase and the phase-shifting Feedback are related to each other that the overall gain of the Amplifier becomes smaller than the specified value. A surface wave delay line is however, not provided for in this crystal controlled oscillator.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Schwingungsstabilität eines Oszillators mit einer Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung von der eingangs genann-The object of the invention is to improve the vibration stability of an oscillator with a surface acoustic wave delay line from the aforementioned

•en Art wesentlich zu erhöhen, und zwar ohne dabei die Zahl der Zähne in jedem Wandler zu vergrößern.• To increase the number of teeth significantly without increasing the number of teeth in each transducer.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Eingangswandler in mindestens zwei Teilwandler aufgeteilt ist, die in unterschiedlichem Abstand von dem Ausgangswandler angeordnet sind, und daß das von einem Teilwandler hervorgerufene Rückkopplungssignal allein zum Aufrechterhalten der Schwingung nicht ausreicht.This object is achieved according to the invention in that the input transducer is in at least two Partial transducers are divided, which are arranged at different distances from the output transducer, and that the feedback signal produced by a sub-transducer is solely for sustaining the vibration is not sufficient.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeich- ι ο net sich dadurch aus, daß die Teilwandler für jede Elektrode die gleiche Zahl von Zähnen aufweisen und daß diese Teilwandler beiderseits des einzigen Ausgangswandlers angeordnet sind.An advantageous embodiment of the invention draws ι ο net is characterized in that the partial transducers for each electrode have the same number of teeth and that these partial transducers are arranged on both sides of the single output transducer.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigtThe invention is described below with reference to the drawing, for example; in this shows

F i g. 2 die Wandler einer Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung Γύτ einen Oszillator undF i g. 2 the converter of a surface wave delay line Γύτ an oscillator and

Fig. 3 die Phasen-Ubertragungs-Charakteristik der in F i g. 2 dargestellten Wandler.FIG. 3 shows the phase transmission characteristics of the FIG. 2 converter shown.

Nach Fig. 2 umfaßt eine Oberflächenwellen-Verzögerungsleitung eine Gruppe von drei Wandlern 10. 12 und 14, die auf einem nicht gezeigten Quarzkristall angeordnet sind. Jeder der Wandler 10.12 und 14 umfaßt ein Paar von interdigitalisierten, d. h. fingerartig ineinandergesetzten. kammähnlichen Elektroden 16. 18. von denen jede Elektrode eine Haupt-Sammelschiene und parallele Zähne oder Finger umfaßt, die sich von der einen Sammelschiene in die Richtung '.11 der anderen Sammelschiene erstrecken. Die Wandler 10 und 12 sind Eingangswandler und sind mit den Eingängen eines nur angedeuteten Verstärkers verbunden, und der Wandler 14 bildet den Ausgangswandler und ist mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. Der Abstand zwischen den Wandlern 10 und 14 unterscheidet sich von dem Abstand zwischen den Wandlern 12 und 14.Referring to Fig. 2, it includes a surface acoustic wave delay line a group of three transducers 10, 12 and 14 mounted on a quartz crystal (not shown) are arranged. Each of the transducers 10.12 and 14 comprises a pair of interdigitated, i. H. finger-like nested. comb-like electrodes 16. 18. each of which electrode is a main busbar and comprises parallel teeth or fingers extending from the one busbar in the direction '.11 the other busbar extend. The transducers 10 and 12 are input transducers and are with the Connected inputs of an only indicated amplifier, and the converter 14 forms the output converter and is connected to the output of the amplifier. The distance between the transducers 10 and 14 differs from the distance between transducers 12 and 14.

Jeder der Wandler 10, 12 und 14 weist einen Frequenzgang auf, wie er in F i g. 1 veranschaulicht ist. Der Verstärker ist so ausgebildet, daß eine Schwingung nur in dem Bereich I/ möglich ist und nur dann, wenn das dem Verstärker zugeführte Rückkopplungssignal von beiden Ausgangswandlern abgeleitet ist, wobei die Einfügungsdämpfung sowohl des einen als auch des anderen Wandlers jeweils größer als der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist.Each of the transducers 10, 12 and 14 has a frequency response on, as shown in FIG. 1 is illustrated. The amplifier is designed so that an oscillation is only possible in the I / range and only if the feedback signal fed to the amplifier is derived from both output transducers, the insertion loss of both the one and the other transducer being greater than that Is the gain factor of the amplifier.

Da die Abstände zwischen den Teilwandlern und dem Ausgangswandler verschieden sind, weisen die zwei Teilwandler verschiedene Phasen-Übertragungs-Charakteristiken auf, die in der F i g. 3 veranschaulicht sind. Der obere und der untere Teil der F i g. 3 zeigen den Phasenwechsel zwischen den entsprechenden Teilwandlern 10,12 und dem Ausgangswandler 14 fürSince the distances between the partial transducers and the output transducer are different, the two partial converters with different phase transfer characteristics on, which is shown in FIG. 3 are illustrated. The upper and lower parts of FIG. 3 show the phase change between the corresponding partial transducers 10, 12 and the output transducer 14 for

Frequenzen zwischen J₀ ή- und /₀ + -f- . UmFrequencies between J ₀ ή- and / ₀ + -f- . Around

eine Schwingung aufrechtzuerhalten ist es erforderlich, daß bei der Schwingungsfrequenz die Phasenübertragung beider Eingangsteilwandler die gleiche ist. Durch geeignete Wahl der vorhandenen Abstände ist es möglich sicherzustellen, daß dieses Erfordernis nur bei einer Frequenz in dem Bereich 1 / erfüllt wird, und bevorzugt ist die Frequenz, bei der dies stattfindet, J_n, um die Einfügungsdämpfung auf ein Minimum herabzusetzen.To maintain an oscillation, it is necessary that the phase transfer of both input partial transducers is the same at the oscillation frequency. By a suitable choice of the available spacings it is possible to ensure that this requirement is only met at a frequency in the range 1 /, and preferably the frequency at which this takes place is J _n in order to reduce the insertion loss to a minimum.

Die Phasenübertragung der Verzögerungsleitung muß die gleiche Größe, jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen wie die Phasenkurve des Verstärkers aufweisen, wenn eine stabile Schwingung stattfinden soll; es ist jedoch möglich, die Phasen-Übertragungs-Charakteristik des Verstärkers zu variieren, so daß sie der Phasenübertragung der Eingangsteilwandler entspricht, indem reaktive Elemente in den Verstärker geschaltet oder reaktive Dünnfilm-Elemente auf der Quarzkristall-Oberfläche erzeugt werden.The phase transfer of the delay line must be the same size but opposite Have the same sign as the phase curve of the amplifier if a stable oscillation is to take place; however, it is possible to vary the phase transfer characteristic of the amplifier so that it corresponds to the phase transfer of the input partial transducers, by placing reactive elements in the amplifier or reactive thin-film elements on the Quartz crystal surface can be generated.

Während die Erfindung an Hand einer Anordnung mit zwei Eingangsteil wandlern und einem Ausgangswandler beschrieben worden ist, ist es ebenfalls möglich, den Wandler in anderer Weise zu unterteilen, um eine Schwingungsstabilität des Oszillators sicherzustellen. While the invention is based on an arrangement with two input part converters and an output converter has been described, it is also possible to subdivide the converter in other ways, to ensure vibration stability of the oscillator.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

t. Patent claims:

1. Oscillator with bucket amplifier and a surface wave delay line, the ^ in a regenerative feedback path of the amplifier is switched on and an output and having an input transducer located on the same face of a piezoelectric crystal are arranged and each of which has comb-like electrodes with nested fingers Having teeth, characterized in that that the input transducer is divided into at least two partial transducers (10, 12), which are arranged at different distances from the output transducer (14), and that feedback signal caused by a partial transducer (10, 12) only for maintaining the vibration is not sufficient.

2. Oscillator according to claim 1, characterized in that the partial transducers (10,12) for each Electrode (16, 18) have the same number of teeth and that these partial transducers on both sides of the single output converter (14) are arranged. ""

Attenuation of such a converter is shown in FIG. j "O

illustrates in which they are punctiform as funk. ■■ <

tion of the frequency is plotted. The insertion - -. dämpfune is lowest at the frequency / ₀ , the

by the distance d between the pairs of fingers of the transducer '

and the velocity V of the surface turns' -