DE2416843C2

DE2416843C2 - Oszillatorschaltung mit einer Oberflächenwellenanordnung

Info

Publication number: DE2416843C2
Application number: DE2416843A
Authority: DE
Inventors: Richard Frank Salfords Surrey Mitchell
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-04-09
Filing date: 1974-04-06
Publication date: 1984-04-26
Also published as: GB1449841A; FR2224825B1; FR2224825A1; SE391090B; US3889205A; DE2416843A1

Description

60

Die Erfindung bezieht sich auf eine Oszillatorschaltung mit einer Oberflächenwellenanordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Aus der US-PS 82 540 ist eine Oszillatorschaltung mit einer Oberflä- ^b5 chenwellenanordnung bekannt, die einen piezoelektrischen Körper mit einer Fortpflanzungsoberfläche für akustische Oberflächenwellen enthält, auf der ein Sende- und ein Empfangswandler angeordnet sind, die einen Teil eines Oszillators bilden, der einen Verstärker umfaßt, über den das Ausgangssignal des Empfangswandlers auf den Sendewandler rückgekoppelt ist (Fig. 13). Weiterhin ist aus dieser Vorveröffentlichung eine Oberflächenwellenanordnung bekannt, bei der zwei Wandlerpaare — jeweils bestehend aus Sende- und Empfangswandler — auf der Fortpflanzungsoberfläche eines piezoelektrischen Körpers angeordnet sind, wobei die Fortpflanzungsrichtungen der beiden Paare voneinander abweichen.

Weiterhin ist aus der US-PS 28 59 346 eine Kristalloszillatorschaltung für niedrige Frequenzen bekannt, bei der der große Temperaturkoeffizient, den Quarzkristalle für niedrige Frequenzen bekanntlich haben, dadurch verringert wird, daß die niederfrequente Schwingung von einer Mischstufe erzeugt wird, die die Differenzfrequenz zweier Oszillatoren mit dicht beieinander liegenden Oszillatorfrequenzen bildet Beide Oszillatoren sind Kristalloszillatoren, die einen einzigen unterteilten Kristailkörper enthalten, wobei die Unterteilungen unterschiedlich dick sind. Der Temperaturkoeffizient ist dabei durch den Temperaturkoeffizienten des Krinallkörpers bestimmt, der relativ gering ist, weil bei den relativ hohen Oszillatorfrequenzen ein Kristallschnitt mit verhältnismäßig kleinem Temperaturkoeffizeiten benutzt werden kann.

Durch die Anwendung von akustischen Oberflächenwellen, wie z. B. Rayleigh-Wellen, ist es möglich geworden, Vorrichtungen mit Zeitverzögerungsfunktionen oder frequenzselektiven Funktionen mit geringen Abmessungen und einer robusten Bauart herzustellen, während außerdem ähnliche Techniken wie bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet werden können. Akustische Oberflächenwellsnvorrichtungen ermöglichen es, Probleme, z. B. in bezug auf den Umfang und die Herstellungskosten diskreter Induktoren, zu vermeiden.

Eine akustische Oberflächenwelle wird gewöhnlich auf der planaren Oberfläche eines piezoelektrischen Körpers von einem Sendewandler emittiert, der aus einer auf der planaren Oberfläche angebrachten, interdigitalen Elektrode besteht. Mittels einer ähnlichen interdigitalen Elektrode, die sich in der Bahn befindet, über die sich die akustische Oberflächenwelle von dem Sendewandler aus fortpflanzt, kann die empfangene akustische Oberflächenwelle wieder in ein elektrisches Signal nach einer Zeitverzögerung umgewandelt werden, die von dem Abstand zwischen den Mitten der betreffenden Sende- und Empfangselektroden abhängig ist und die der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle in der Fortpflanzungsrichtung umgekehrt proportional ist.

Ein Oszillator kann dadurch erhalten werden, daß das Ausgangssignal des Empfangswandlers verstärkt und das auf diese Weise erhaltene Signal auf den Sendewandler rückgekoppelt wird.

Der Verstärker führt eine geringe Verzögerung ein, aber diese ist im allgemeinen gering im Vergleich zu der Laufzeit der akustischen Oberflächenwelle. Theoretisch kann der Oszillator in jedem Modus schwingen, dessen Frequenz durch \Ιητ gegeben wird, wobei η jede ganze Zahl und r die Gesamtverzögerung in der geschlossenen Schleife darstellt. Um einen bestimmten Modus mit einer gewünschten Frequenz auszuwählen, können die frequenzselektiven Eigenschaften der periodischen Struktur der interdigitalen Elektroden der Wandler benutzt werden. Zu diesem Zweck wird die Periodizität

der interdigitalen Elektroden in bezug auf eine sich längs der Elektroden fortpflanzende akustische Oberflächenwelle mit der gewünschten Schwingungsfrequenz in Übereinstimmung gebracht. Indem sowohl der Empfangs- als auch der Sendewandler oder einer dieser Wandler verhältnismäßig lang, & h. mit einer Vielzahl von Streifenelektroden, ausgeführt werden und somit diesen Wandlern ein hoher Gütefaktor gegeben wird, kann das Schwingen auf anderen unerwünschten Frequenzen auf zweckmäßige Weise verhindert werden. In der Verstärkungsschleife können weitere Filtermittel entweder zur Ergänzung oder ais Alternative zum Erreichen dieses Effektes angeordnet werden.

Die Temperaturstabilität der Schwingungsfrequenz eines derartigen Oszillators hängt im wesentlichen von dem Temperaturkoeffizienten der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle und von der Ausdehnung des einkristallinen Körpers in der Forfpflanzungsrichtung ab, weil diese Größen zusammen die Periodizität der interdigitalen Wand'er und die Laufzeit der akustischen Oberflächenwelle bestimmen.

Im Idealfall müßte der Temperaturkoeffizient der Schwingungsfrequenz gleich Null sein, aber in einer akustischen Oberflächenwellenverzögerungsvorrichtung, in der die akustische Oberflächenwelle mit Hilfe eines interdigitalen Wandlers erzeugt wird, ist es zu bevorzugen, ein Fortpflanzungsmedium zu verwenden, das stark piezoelektrisch ist. Die für diesen Zweck geeigneten stark piezoelektrischen Materialien, wie z. B. bestimmte ferroelektrische keramische Materialien, weisen jedoch im allgemeinen keine Fortpflanzungsrichtung für akustische Oberflächenwellen auf, für die der sich daraus ergebende Temperaturkoeffizient der Verzögerung und also der Schwingungsfrequenz gleich Null ist. Gewisse piezoelektrische Materialien, wie z. B. J Quarz, weisen zwar eine Fortpflanzungsrichtung auf, die einen Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenz gleich Null ergeben würde, aber es hat sich herausgestellt, daß sich gerade in dieser besonderen Fortpflanzungsrichtung der genannte Temperaturkoef- ίο fizient bei geringen Änderungen in der Orientation der Fortpfanzungsrichtung schnell ändert, und zwar derart, daß bei Anwendung üblicher Herstellungstoleranzen eine befriedigende Erzeugung von Oszillatorvorrichtungen genügender Stabilität auch bei diesen Materialien praktisch nicht erzielbar ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine temperaturkompensierte Oszillatorschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auf einfache Weise durch übliche Techniken hergestellt werden kann. so

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei ist unter der Fortpflanzungsrichtung einer akustischen Oberflächenwelle eine Richtung zu verstehen, in der sich eine akustische Oberflächenwelle nicht nur fortpflanzen kann, sondern in der auch eine akustische Oberflächenwelle mittels eines Wandlers, im allgemeinen einer interdigitalen Elektrode, emittiert und empfangen werden kann, während unter einer Fortpflanzungsoberfläche für eine akustische Oberflächenwelle eine Oberfläche zu verstehen ist, die mindestens eine Fortpflanzungsrichtung für eine akustische Oberflächenwelle besitzt, wie oben beschrieben ist.

In der Verstärkerschleife können Phaseneinstellmittel angebracht werden, die zu mindestens einem der genannten Paare interdigitaler Wandler gehören und zur Einstellung der Frequenz de^r Ausgangsschwingung dienen. Der piezoelektrische Körper kann z. B. aus Lithiumniobat, aber auch aus jedem anderen bekannten geeigneten Material hergestellt sein.

Bei der in Anspruch 2 beschriebenen Weiterbildung der Erfindung läßt sich als Fortpflanzungsmedium besonders vorteilhaft Quarz verwenden. Bei der in Anspruch 4 beschriebenen vorteilhaften Ausführungsform üben Herstellungstoleranzen nur einen geringen Einfluß auf die Ausgangsschwingung aus.

Vorzugsweise werden die beiden Fortpflanzungsrichtungen so gewählt, daß der Differentialquotient des Temperaturkoeffizienten nach der Fortpflanzungsrichtung in dieser Richtung möglichst klein ist In diesem Falle üben nämlich Herstellungstoleranzen nur einen geringen Einfluß auf die Ausgangsschwingung aus.

Die Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Ausführungsform eines temperaturkompensierten akustischen Oberflächenwellenoszillators zeigt

In der Zeichnung, die schematisch einen temperaturkompensierten Oszillator nach der Erfindung zeigt, ist eine einkristallinie piezoelektrische Scheibe 1 die aus Lithiumniobat hergestellt ist, derart angeordnet, daß ihre obere Fläche 2 eine Fortpflanzungsoberfläche für eine akustische Oberflächenwelle bildet, wie oben beschrieben ist. Auf der Oberfläche 2 sind zwei Paare interdigitaler Wandler angebracht, von denen ein Paar aus einem Sendewandler 3 und einem Empfangswandler 4 besteht, die derart angeordnet sind, daß sie ein Bündel akustischer Oberflächenwellen in einer mit der Linie 5 angegebenen Richtung emittieren bzw. empfangen, während das andere Paar aus einem Sendewandler 6 und einem Empfangswandler 7 besteht, die derart angeordnet sind, daß sie ein Bündel akuatischer Oberflächenwellen in einer mit der Linie 8 angegebenen Richtung emittieren bzw. empfangen.

Das Ausgangssignal des Empfangswandlers 4 wird dem Eingang eines Verstärkers 10 zugeführt, dessen Ausgang über einen einstellbaren Phasenverschieber ti an den Eingangsanschlüssen des Sendewandlers 3 anliegt, um Schwingungen in der auf diese Weise gebildeten Schleife 15 aufrechtzuerhalten. Auf ähnliche Weise wird das Ausgangssignal des Empfangswandlers von einem Verstärker 12 verstärkt und dem Sendewandler 6 zugeführt, um Schwingungen in der entsprechenden Schleife 16 aufrechtzuerhalten. Jedem der Verstärker 10 und 12 wird außerdem ein Ausgangssignal entnommen und einer Mischschaltung 17 zugeführt, in der die Schwingungen in den beiden Schleifen miteinander gemischt werden und die Differenzfrequenz aus dem Ausgangssignal der Mischschaltung mit Hilfe eines Bandfilters 18 tusgefiltert wird, das aus einem akustischen Oberflächenwellenfilter bestehen kann.

Die Schwingungsfrequenz in den Schleifen 15 und 16 wird durch die Gesamtverzögerung τ in der Schleife bestimmt und kann im allgemeinen beliebig bei einer der Frequenzen Μτ, \/2v, ... \lm liegen, wobei die Schleifenverstärkung größer als 1 ist, es sei denn, daß die betreffende Schleife derart aufgebaut ist, daß die Gesamtschleifenverstärkung bei einer gewählten Frequenz größer als bei jeder anderen möglichen Frequenz ist. Beii.i Auswählen der betreffenden gewünschten Schwingungsfrequenz in jeder Schleife werden die frequenzselektiven Eigenschaften der Wandler 3, 4, 5 und 6 benutzt. Die Auswahl aus den in Schwingimgsschleife 15 möglichen Schwingutißsfreauenzen erfolgt.

indem einer der Wandler, in diesem Beispiel der Empfangswandler 4, verhältnismäßig lang ausgeführt wird und eine gleichmäßige Periodizität entsprechend der gewählten Frequenz aufweist. Die Gesamtlänge des interdigitalen Elektrodensystems des Wandlers 4 wird dem Mittelabstand zwischen den Wandlern 3 und 4 gleich gewählt, wodurch die Amplitudenkennlinie des Wandlers 4, die ein Maximum bei der gewählten Frequenz aufweist, bei jeder der anderen möglichen Frequenzen Minima aufweisen wird. Der Sendewandler 3 weist ebenfalls eine Periodizität entsprechend der gewählten Frequenz auf, kann aber kurzer als der Wandler 4 sein. Der Phasenschieber 11 dient zur Einstellung der Schwingungsfrequenz in der Schleife 15. Die Schwingungsfrequenz in der Schleife 16 wird auf ähnliche Weise durch die Form, die Periodizität und die gegenseitige Lage der Wandler 6 und 7 bestimmt und kann gegebenenfalls auf ähnliche Weise mit Hilfe des Phasenschiebers 13 eingestellt werden. Es sei bemerkt, daß jedes andere Filterverfahren benutzt werden kann, um die Schleifenverstärkung bei der gewählten Frequenz in bezug auf die Schleifenverstärkung bei anderen möglichen Schwingungsfrequenzen derart zu erhöhen, daß jede der betreffenden Schwingungsschleifen 15 und 16 nur bei der gewählten Frequenz schwingen kann.

Die Scheibe 1 aus Lithiumniobat wird aus einem Einkristall geschnitten, der eine derartige Ausrichtung in bezug auf die kristallographischen Achsen aufweist, daß die beiden Richtungen 5 und 8 auf der Fortpflanzungsoberfläche für die akustischen Oberflächenwellen erhalten werden, wobei die entsprechenden Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenzen der Schleifen wesentlich voneinander verschiedene Werte ungleich Null aufweisen und wobei jeder dieser Werte von Abweichungen in der Ausrichtung der Wandler 3, 4, 5 und 6 in bezug auf die kristallographischen Achsen des Einkristalls infolge üblicher Herstcllungsabweichungen während der Herstellung der Vorrichtung nahezu unabhängig ist. So wird bei einem normalen anisotropen Kristall, wie Lithiumniobat, der Temperaturkoeffizient der Schwingungsfrequenz zwischen einem Höchst- und einem Mindestwert variieren, die beide positiv sind, wenn die Fortpflarizurigsnchtung der akustischen Oberflächenwelle um eine Achse senkrecht zu der Fortpflanzungsoberfläche gedreht wird. Da der genannte Temperaturkoeffizient sich bei einer gegebenen Winkelverschiebung der Fortpflanzungsrichtung in bezug auf die Richtungen für den Höchst- und den Mindestwert am geringsten ändern wird, sind diese Richtungen für die Richtungen 5 und 8 gewählt.

Wenn die Schwingungsfrequenzen in den Schleifen i5 und 16 f\ bzw. h bei einer Temperatur T\ betragen und

die Temperaturkoeffizienten der Schwingungsfrequenzen in den Richtungen 5 und 8 a bzw. b sind, wird bei einer Temperatur 71+JTdIe Frequenz in der einen Schleife f\ (\+aAT) und in der anderen Schleife /2(1 +M77 betragen. Die Ausgangsfrequenz der Vorrichtung ist dann

m /| ,(1 + α A T) - /₂ (1 + b Δ T)

Also ist die Bedingung, daß diese Ausgangsfrequenz bei 7] + Tgleich derjenigen bei der Temperatur T₁ ist, und zwar (/", -/₂):

Auf diese Weise können aus der gewünschten Ausgangsfrequenz und dem Verhältnis der Temperaturkoeffizienten in den Richtungen 5 und 8 ohne weiteres die Frequenzen f\ und /2 für die Teiloszillatoren und die entsprechenden Wandler errechnet werden.

Bei einer anderen Ausführungsform, bei der für den einkristailinen piezoelektrischen Körper 1 Quarz verwendet wird, wird die Summenfrequenz der Schaltung 17 mit Hilfe des Ausgangsfiiters 18 erhalten. Quarz ist ein kristalliner Werkstoff, bei dem im allgemeinen eine Fortpflanzungsfläche für eine akustische Oberflächenwelle eine Fortpflanzungsrichtung aufweisen wird, bei der der genannten Temperaturkoeffizient positiv und maximal ist, während diese Fläche weiter eine andere Richtung aufweisen wird, bei der der genannte Temperaturkoeffizient negativ und ebenfalls maximal ist. Zwischen diesen Richtungen liegt eine Richtung, für die der Temperaturkoeffizient durch Null geht, aber sich zugleich bei einer Richtungsänderung schnell ändert Die Fortpflanzungsrichtungen 5 und 8 können in diesem Falle vorteilhafterweise jeweils derart gewählt werden, daß sie mit einer entsprechenden Richtung mit einem maximalen Temperaturkoeffizienten zusammenfallen, wobei der Koeffizient für kleine Winkelabweichungen verhältnismäßig unempfindlich ist. Die Frequenzen /Ί und /2 sind auf ähnliche Weise wie oben gewählt, weil in diesem Falle, obgleich die beiden Frequenzen zueinander addiert werden, eine Temperaturkoeffizient negativ ist und die Bedingung für eine sich nicht ändernde Ausgangsfrequenz als Funktion der Temperatur wieder ist

Siaii der dargestellten interdigitaien Wandler können auch Wandler jeder anderen Art verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Oszillatorschaltung mit einer Oberflächenwellenanordnung, die einen piezoelektrischen Köiper mit einer Fortpflanzungsoberfläche für akustische Oberflächenwellen enthält, auf der zwei Wandlerpaare angeordnet sind, die jeweils einen Sende- und einen Empfangswandler umfassen, wobei die durch die Lage der beiden Wandlerpaare festgelegten Fortpflanzungsrichhingen voneinander abweichen und wobei das eine Wandlerpaar einen Teil eines ersten Oszillators bildet, der einen Verstärker umfaßt, über den das Ausgangssignal des Empfangswandlers auf den Sendewandler rückgekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter das andere Wandlerpaar (6, ^) umfassender Oszillator vorgesehen ist, der einen weiteren Verstärker-(12) umfaßt, über den das Signal des Empfangswandlers (7) dieses Paares auf dessen Sendewandler (6) rückgekoppelt ist, daß die Fortpflanzungsrichtungen (5, 8) einerseits und die Oszillatorfrequenz /i, h andererseits so gewählt sind, daß wenigstens annähernd die Bedingung a/b=f-Jf\ erfüllt ist, wobei a der Temperaturkoeffizient der Frequenz des ersten Oszillators (3, 4, 10) mii der einen Fortpflanzungsrichtung (8) und b der Temperaturkoeffizient der Frequenz (fj) des zweiten Oszillators (6, 7,12) mit der anderen Fortpflanzungsrichtung (8) ist, und wobei außerdem a und b voneinander und von Null abweichen, und daß die von den beiden Oszillatoren erzeugten Schwingungen in einer Mischstufe (17) zur Erzeugung einer Ausgangsschwingung mit einer von der Temperatur unabhängigen Frequenz überlagert werden.

2. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzungsrichtungen (5,8) derart gewählt sind, daß die Temperaturkoeffizienten a, b der Frequenzen /Ί, /2 der ersten und zweiten Oszillatorschwingung en'gegengesetzte Vorzeichen haben und daß die Frequenz der Ausgangsschwingung die Summe der Frequenzen der beiden Oszillatorschwingungen ist.

3. Oszillatorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortpflanzungsrichtung (5, 8) derart gewählt sind, daß die Temperaturkoeffizienten a, b der Frequenzen /Ί, /2 der ersten und zweiten Oszillatorschwingung gleiches Vorzeichen haben und daß die Frequenz der Ausgangsschwingung der Mischstufe (17) die Differenz der Frequenzen der beiden Oszillatorschwingungen ist.

4. Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fortpflanzungsrichtungen so gewählt sind, daß der Differentialquotient des Temperaturkoeffizienten nach der Fortpflanzungsrichtung in dieser Richtung möglichst klein ist.