DE2413146A1 - Breitbandige oszillatorschaltung - Google Patents

Description

FATCNTANWÄLTE

DR.-ING. HANS LEYH

DIPL.-ING. ERNST RATHMA.NN

München 7i, 19. Mär ζ 1974

Melchlorstr. 42

Unser Zeichen: M0122P-1110

Motorola, Inc. 9^01 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.

Breitbandige Oszillatorschaltung

Die Erfindung betrifft eine breitbandige Oszillatorschaltung zur Erzeugung von Sinusschwingungen mit einem Verstärker und einer frequenzbestimmenden Eückkopplungsschaltung zur Bestimmung der Frequenz der Oszillatorschwingung, und mit einer mit dem Verstärker gekoppelten Abtastschaltung zur Abtastung der Amplitude der Oszillatorschwingung sowie zur Erzeugung eines Regelsignals.

Es sind eine Vielzahl von Anwendungsfällen bekannt, für welche sinusförmige HF-Schwingungen mit einer stabilen Frequenz benötigt werden. Dies kann z.B. der Bezugsoszillator in einem HF-Sender oder der Überlagerungsoszillator in einem HF-Empfänger sein. Auch für digitale Anwendungsfälle sind derartige Oszillatoren, die eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz liefern, von Bedeutung.

Fs/wi ■ Oszillatorschaltungen

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Oszillatorschaltungen, die eine sinusförmige Oszillator- . schwingung abgeben, sind in grosser Vielzahl bekannt. In der Regel werden Verstärker mit einer 'Ruckkopplungsschleife verwendet, welche das frequenzbestimmende Element in einer solchen Schaltung darstellt und aus einem Schwingkreis oder einem Schwingkristall bestehen kann. Mit. solchen Schaltungen sind sinusförmige Oszillatorschwingungen zu erzeugen, jedoch muss die Verstärkung des Verstärkers verhältnismässig gross sein, um das Anschwingen des Oszillators sicherzustellen. Aufgrund dieser hohen Verstärkung bereitet es Schwierigkeiten, ein sinusförmiges Ausgangssignal zu schaffen, wenn die Verstärkung sehr hoch ist und damit eine Begrenzerwirkung auftritt. In diesem Fall ist ein Resonanzkreis erforderlich, um das sinusförmige Ausgangssignal zu erhalten. Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle, in welchen innerhalb eines breiten Frequenzbandes eine sinusförmige Schwingung benötigt wird, wobei abstimmbare Schwingkreise Verwendung finden, die jedoch erhebliche Schwierigkeiten bei der Verwirklichung derartiger Oszillatorschaltungen in integrierter Schaltkreistechnik bereiten. Wenn überdies ein piezoelektrischer Resonator als frequenzbestimmendes Element in dem Oszillator verwendet werden soll, wird von dem mit hoher Verstärkung arbeitenden Verstärker eine beträchtliche Leistung an den Resonator abgegeben, was zu -einem frühzeitigen Altern eines solchen Resonators und zu einer Beeinträchtigung der Stabilität der Oszillatorschwingung führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte breitbandige Oszillatorschaltung zu schaffen, die eine sinusförmige Oszillatorschwingung liefert. Die sinusförmige Oszillatorschwingung soll ohne die Notwendigkeit der Verwendung von abgestimmten Schwingkreisen erzeugbsr sein, die ausgangsseitig als Filterkreise Verwendung finden. Ferner soll die Oszillatorschaltung mit erheblich verringerter Verlustleistung im Kristall arbeiten und damit die Stabilität der Schwingung

- 2 - verbessern

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verbessern. Diese Oszillatorschaltung soll ferner in.einfacher Weise in integrierter Schaltkreisform herstellbar sein.

Ausgehend von der eingangs erwähnten Oszillatorschaltung wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mit der Abtastschaltung und dem Verstärker eine Verstärkungseinstellschaltung verbunden ist, um den durch einen Teil .des Verstärkers fliessenden Strom in Abhängigkeit von den Regelsignalen zu ändern und die Amplitude der Oszillatorschwingung innerhalb, eines vorgegebenen Bereiches zu halten, dass der Verstärker zwei Transistoren umfasst, von denen die ausgangsseitige Elektrode des ersten Transistors mit der eingangsseitigen Elektrode des zweiten Transistors und die ausgangsseitige Elektrode des zweiten Transistors mit der eingangsseitigen Elektrode des ersten Transistors gekoppelt sind, und dass das frequenzbestimmende Netzwerk die.Fusspunktelektroden der beiden Transistoren miteinander verkoppelt und die Frequenz der Oszillatorschwingung bestimmt.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Eine die Merkmale der Erfindung in vorteilhafter Weise verwirklichende Oszillatorschaltung umfasst einen emittergekoppelten, als Differenzverstärker aufgebauten Oszillator, wobei die Emitterkopplung über ein frequenzbestimmendes Netzwerk erfolgt. Mit.Hilfe einer Abtast- bzw. Detektorschaltung wird die Amplitude der Oszillatorschwingung festgestellt und ein Regelsignal abgeleitet, um einen weiteren Differenzverstärker anzusteuern, der einen Ableitstrom vom Differenzverstärker . des Oszillators ableiten kann, um dessen Verstärkung zu verringern, wenn die Amplitude der Oszillatorschwingung einen vorgegebenen Wert übersteigt. Diese Schaltung smassnahmen stellen eine Verstärkungsregelung dar, mit der innerhalb des linearen Bereiches ein optimales sinusförmiges Ausgangssignal erzeugt werden kann und die .dem frequenz-

- 3 - best immenden

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"bestimmenden Netzwerk zugeführte Leistung "begrenzt wird.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der aus einer Figur bestehenden Zeichnung, welche die Schaltung eines Sinusoszillators .gemäss der Erfindung darstellt.

Der Oszillator 10, der in seinen wesentlichen Bestandteilen als integrierte Schaltung aufgebaut sein kann, umfasst Transistoren 12, 14, 16 und 18, die kreuzweise derart miteinander gekoppelt sind, dass die Emitter der Transistoren 12 und 14 an die Basis der Transistoren 18 bzw. 16 angeschlossen und die Kollektoren der Transistoren 16 und 18 mit der Basis der Transistoren 12 bzw. 14- verbunden sind. Die Emitter der Transistoren 16 und 18 sind über.ein frequenzbestimmendes Netzwerk zusammengeschaltet, welches bei der vorliegenden Ausführungsform aus einem Piezokristall 20 und einem Kondensator 22 besteht. Die Vorspannung für den Oszillator liefern zwei als Stromquellen wirksame Transistoren 24- und 26, die an die Emitter der Transistoren 16 und 18 über Transistoren 28 bzw. 30 angeschlossen sind. Zwei Transistoren 32 und 34 sind mit entsprechenden Transistoren 28 und 30 emittergekoppelt, wodurch Differenzverstärker 29 und 35 gebildet werden. Die Kollektoren der Transistoren 32 und 34- sind an entsprechende Widerstände 36 bzw. 38 angeschlossen, die auch an den Kollektoren der Transistoren 16 bzw. 18 sowie der Basis der Transistoren 12 bzw. 14- und der Stromversorgung A+ liegen. Die Vorspannung für die Konstantstromtransistoren 24- und 26 und die Differenzverstärker 29 und 35 wird von einem Vorspannungsnetzwerk 39 geliefert, das aus einer Diode 4-1 sowie Transistoren 4-0, 4-2, 44, 46, 48 und 50 besteht. Obwohl in der Darstellung ein·spezielles Vorspannungsnetzwerk gezeigt ist, kann jedoch hierfür jegliche Schaltungskonfiguration Verwendung finden, die die erforderlichen Vorspannungen für den Oszillator liefert. Ein Differenzverstärker 49 aus den

- 4 - Transistoren

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Transistoren 52 und 54 und einem Transistor 56 als Stromquelle ist mit dem Oszillator 10 derart verbunden, dass die Basis der Transistoren 52 und 54- an die Emitter der Transistoren 12 bzw. 14 angeschlossen sind" und mit komplementären Schwingungen beaufschlagt werden. Der Ausgang des Differenzverstärkers 49 am Kollektor des Transistors 52 und des Transistors 54 ist jeweils an die Basis eines Transistors 53 bzw. 60 in einer Detektorschaltung 59 angeschlossen. Diese Detektorschaltung umfasst ferner eine Diode 62, deren Anode an den Emittern der Transistoren 52 und 54 liegt, und deren Kathode mit einem Kondensator 64 verbunden ist, der grundsätzlich kein Teil der integrierten Schaltung darstellt. Der Ausgang der Detektorschaltung am Yerbindungspunkt der Diode 62 mit dem Kondensator 64 ist mit der Basis der Transistoren 32 bzw. des Differenzverstärkers 29 und 35 verbunden. Die Basis zweier als Emitterfolger geschalteter Transistoren 66 und 68 liegt am Ausgang des Differenzverstärkers 49, wogegen die Emitter dieser Transistoren 66 und 68 mit Ausgangsklemmen 70 und 72 verbunden sind, an denen ein komplementäres Äusgangssignal anliegt. Diese als Emitterfolger geschalteten Transistoren entkoppeln den Differenzverstärker 49 gegen die Ausgangsklemmen 70 und 72.

Im Betrieb stellen die Transistoren 12 und 14 eine positive Rückkopplungsstrecke zwischen den Transistoren 16 und 18 dar, so dass für den Fall, dass der Transistor 16 zu leiten beginnt, die Kollektorspannung dieses Transistors abfällt. Dieser Spannungsabfall wird über den Transistor 12 an die Basis des Transistors 18 übertragen und bewirkt, dass dieser Transistor weniger leitend wird. Die Verringerung des Stromes im Transistor 18 bewirkt einen .Anstieg der Kollektorspannung, der auf die Basis des Transistors 16 über den Transistor 14 gekoppelt wird und dadurch den Transistor 16 stärker leitend macht. Die Rückkopplungsstrecke wird zwischen den- Emittern der Transistoren 16 und 18 über das frequenzbestimmende Netz-

- 5 - ■ werk

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werk vervollständigt, das den Piezokristall 20 und den Kondensator 22 umfasst. Diese bewirken eine niedrige Impedanz zwischen den Emittern "bei ihrer Resonanzfrequenz und halten damit den Oszillator "bei der Resonanzfrequenz des frequenzbestimmenden Netzwerkes im Schwingungszustand. Das Ausgangssignal des Oszillators wird im Differenzverstärker 49 verstärkt und mit komplementären Phasen an die Ausgangsklemmen 70 und 72 über die als Emitterfolger geschalteten Transistoren 66 und 68 übertragen.

Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers werden auch über die Transistoren 58 und 60 an die gleichrichtende Diode 62 zur Verstärkungsregelung übertragen. Diese Signale werden an der Diode 62 gleichgerichtet und vom Kondensator 64 gefiltert, so dass an dem Kondensator 64 eine Gleichstromspannung sich ausbildet, deren Niveau proportional der Amplitude des Wechselstromsignals des Oszillators 10 ist. Wenn die Spannung am Kondensator 64 ansteigt, wird auch die in Durchlassrichtung wirksame und über die Detektorschaltung an die Transistoren 32 und 34 angelegte Vorspannung grosser und bewirkt, dass die Transistoren 32 und 34 mehr Strom führen. Da die Transistoren des Differenzverstärkers 29 sowie des Differenzverstärkers an einer gemeinsamen Stromquelle hängen, nämlich den Transistoren 24 und 26, löst eine Vergrösserung des von den Transistoren 32 und 34 gezogenen Stromes eine entsprechende Verkleinerung des über die Transistoren 28 und 30 fliessenden

/aus

Stromes^ Damit nimmt mit ansteigender Amplitude des Wechselstromsignals vom Oszillator 10 der über die Oszillatortransistoren 16 und 18 fliessende Strom als Folge des über die Transistoren 28 und 30 fliessenden Stromes ab. Daraus ergibt sich, dass die maximale Stromführung über die Transistoren und 18 aus einer Verringerung der Schwingung sich herleitet. Die sich ergebende Verringerung des Stromes über die Transistoren 16 und 18 führt zu einer Verringerung des Stromes über die Widerstände 36 und 38 und damit zu einer Verringerung der

- 6 - sich

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sich daran ausbildenden Auslenkung der WechselStromspannung, womit die Ausgangsspannung des Oszillators entsprechend verringert wird.

Obwohl die Wechselstromkomponente der Spannung an den Widerständen 36 und 38 infolge eines abnehmenden Stromflusses durch die Transistoren 16 und 18 kleiner wird, bleibt die Gleichstromspannung an diesen Widerständen im wesentlichen konstant, wodurch die an die Transistoren 12 und 14 angelegte Vorspannung unbeeinflusst bleibt. Der Strom über den Widerstand 36 bestimmt sich aus der Summe der über den Transistor 32 und die Serienschaltung der Transistoren 16 und 18 fliessenden Ströme. Da jede Amplitudenänderung des über den Transistor 32 fliessenden Stromes mit einer entgegengesetzten Amplitudenänderung des über die Serienschaltung der Transistoren 16 und 28 fliessenden Stromes verbunden ist, bleibt auch der über die zwei parallelen Zweige fliessende Strom im wesentlichen konstant, womit ein im wesentlichen konstanter Vorspannungsstrom über den Widerstand 36 aufrechterhalten wird. Der Strom über den Widerstand 38 wird in entsprechender Weise konstant gehalten. Die Vorspannungen des Oszillators 10 bleiben im wesentlichen konstant, unabhängig von dem Verhältnis des über die Transistoren 32 und 34- abgeleiteten Stromes.

Durch, eine entsprechende Auswahl des Betrags des über die Transistoren 32 und 34- fliessenden Stromes kann die Verstärkung des Oszillators 10 eingestellt und damit sichergestellt werden, dass der Oszillator 10 im linearen Bereich arbeitet und somit ein im wesentlichen sinusförmiges Ausgangssignal abgibt. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von externen Filterschaltungen, z.B. in Form von*Resonanzkreisen, um unerwünschte Harmonische vom Ausgängssignal zu entfernen. Mit Ausnahme des frequenzhestimmenden Netzwerkes sind alle Schaltungsteile des Verstärkers breitbandig, so dass die Frequenz des Oszillators leicht durch eine Änderung des frequenzbestimmenden Netzwerkes eingestellt werden kann. Die Schaltung

- 7 - gemäss

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gemäss der Erfindung liess sich bei einem ausgeführten Beispiel über einen Frequenzbereich von mehr als einer Dekade verstimmen, ohne dass irgendwelche Komponenten ausser dem frequenzbestimmenden Netzwerk geändert werden mussten.

- 8 - Patentansprüche

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Claims (6)

1. 2A13H6

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   Patentansprüche

   Breitrandige Oszillatorschaltung mit einem Verstärker und einer frequenzbestimmenden Rückkopplungsschaltung zur Bestimmung der Frequenz der Oszillatorschwingung, und mit einer .mit dem Verstärker gekoppelten Abtastschaltung zur Abtastung der Amplitude der Oszillator- · Schwingung sowie zur Erzeugung eines Regelsignals, dadurch gekennz e i chne t, dass mit der Abtastschaltung (52, "54, 58,' 60, 62, 64) und dem Verstärker (16, 18) eine Verstärkungseinstellschaltung (29, 35) verbunden ist, um den durch einen Teil des Verstärkers fliessenden Strom in Abhängigkeit von den Regelsignalen zu ändern und die Amplitude der Oszillatorschwingung innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu halten, dass der Verstärker zwei Transistoren umfasst, von denen die ausgangsseitige Elektrode des ersten Transistors (16) mit der eingangsseitigen Elektrode des zweiten Transistors (18) und die ausgangsseitige Elektrode des zweiten Transistors mit der eingangsseitigen Elektrode des ersten Transistors gekoppelt sind, und dass das frequenzbestimmende Fetzwerk (20, 22) die Fusspunktelektroden der beiden Transistoren miteinander verkoppelt und die Frequenz der Oszillatorschwingung bestimmt.
2. 2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinstellschaltung (29) in Serie zu der ausgangsseitigen Elektrode

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   und der Fusspunktelektrode des einen Transistors (16) des Verstärkers geschaltet ist, um den über diesen Transistor fliessenden Strom zu ändern.
3. 3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärküngseinstellschaltung (35) in Serie, zu der ausgangsseitigen Elektrode und der Fusspunktelektrode des anderen Transistors (18) des Verstärkers geschaltet ist.
4. 4-, Oszillatorschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 "bis 3j dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinstellschaltung eine Stromteilerschaltung (29) enthält, die mit der ausgangsseitigen Elektrode des einen Transistors (16) des Verstärkers gekoppelt ist, um einen Stromweg parallel zu diesem Transistor zu schaffen und die Gleichspannung an der Ausgangselektrode dieses Transistors im wesentlichen konstant zu halten, wenn sich der Strom über diesen Transistor (16) ändert.
5. 5. Oszillatorschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 "bis 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinstellschaltung einen Differenzverstärker mit zwei Transistoren (28, 32) umfasst, wobei die Emitterelektroden der beiden Transistoren miteinander verbunden sind und eine Basiselektrode der beiden Transistoren mit der Abtastschaltung (62, 64-) gekoppelt ist, um das Regelsignal zu erhalten, dass die Kollektorelektrode des zweiten Transistors (32) mit der ausgangsseitigen Elektrode des einen Transistors (16) des Verstärkers verbunden ist und einen parallelen Stromweg bildet, und dass der erste Transistor (28) in Serie zu dem einen Transistor (16) des Verstärkers geschaltet ist, um den über diesen Transistor fliessenden Strom zu ändern.

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6. 6. Oszillatorschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 j dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastschaltung einen Differenzverstärker (52, umfasst.

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