DE2457374A1

DE2457374A1 - Variabler oszillator

Info

Publication number: DE2457374A1
Application number: DE19742457374
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Waku
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1973-12-05
Filing date: 1974-12-04
Publication date: 1975-06-12
Also published as: GB1481630A; US3995233A; NL187776B; USB527693I5; IT1026821B; FR2254148B1; NL7415768A; NL187776C; JPS5087559A; DE2457374C2; FR2254148A1; CA1014627A

Description

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Variabler Oszillator

Die Erfindung betrifft einen variablen Oszillator, insbesondere einen variablen Oszillator, der Lithiumtantalat als Vibrator enthält.

Als Oszillatorelemente verwendete Kristallvibratoren werden in einem Frequenzbereich betrieben, in dem der Kristallvibrator eine induktive Reaktanz besitzt. Die Änderung dieser Induktivität ist jedoch bekanntlich in diesem Frequenzbereich stark ausgeprägt (Charakteristik mit scharfer Änderung). Ein Oszillator mit einem solchen Kristallvibrator kann somit eine Oszillator-Frequenz erzeugen, die bei Temperaturänderungen sehr stabil ist, er kann jedoch nicht als Oszillator mit variabler Frequenz und breitem Frequenzband benutzt werden, beispielsweise als Frequenzmodulationskreis, da die durch eine Induktivitätsänderung verursachte Änderung der Oszillator-Frequenz klein ist.

Nun besitzt jedoch ein einzelner Kristallvibrator aus Lithiumtantalat (LiTaO.,), der einem piezoelektrischem Element entspricht, eine Induktivitätskomponente, die um ein Vielfaches größer ist, als die eines üblichen Kristallvibrators; da ferner ein solcher Kristallvibrator aus Lithiumtantalat eine allmähliche Induktivitätsänderung aufweist, ergibt sich eine Verbreiterung des variablen Frequenzbereiches. Wird infolgedessen Lithium-

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tantalat als Oszillatorelement benutzt, so kann hiermit der oben erwähnte Frequenzmodulationskreis aufgebaut werden.

Fig. 1 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel eines solchen bekannten variablen Oszillators 10. Er enthält einen Vibrator 1 aus Lithiumtantalat (LiTaO-,) als Oszillatorelement, einen Transistor Q, Kondensatoren 2 und 3 sowie einen Eingangsanschluß 11, dem ein Modulationssignal, beispielsweise ein Tonsignal, zugeführt wird. Die Kapazität einer veränderlichen Kapazitätsdiode 12, die an den Vibrator 1 angesehlossenist, ändert sich mit dem ModulationssLgnal, wodurch die Oszillatorfrequenz f geändert wird. In Fig. 1 ist die variable Kapazitätsdiode 12 als Kondensator veranschaulicht. Mit 13 ist ein Ausgangsanschluß bezeichnet.

Wird der variable Oszillator 10 bei einem Frequenzmodulationskreis eingesetzt, wie er bei einem drahtlosen Mikrophon sowie allgemein benutzt wird, so ist es erwünscht, daß die folgenden drei Bedingungen I bis III erfüllt werden:

I. Die Oszillatorfrequenz (Trägerfrequenz) f kann in einem breiten Bereich gewählt werden.

II. Die Frequenzabweichung bei der gewünschten (verwendeten) Oszillatorfrequenz f kann groß gehalten werden.

III. Die Temperaturcharakteristik ist gut.

Die Bedingung I ist vor allem dann notwendig, wenn der variable Oszillator in einem drahtlosen Mikrophon verwendet wird. Wird der variable Oszillator 10 als Frequenzmodulationkreis benutzt, wie oben erwähnt, so wird seine Oszillationsfrequenz f im allgemeinen innerhalb eines Frequenzbereiches

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zwischen 76MHz und 90 MHz im FM-Rundfunkbereich gewählt. Wird die Oszillatorfrequenz f beispielsweise zu 78 MHz gewählt, so kann man diese Frequenz f vom Oszillator 10 direkt erhalten oder durch Vervielfachung einer Oszillatorfrequenz des Oszillators 1O₃ die niedriger als die gewünschte Frequenz gewählt wird. Wird beispielsweise eine Oszillatorfrequenz von 78 MHz gewünscht und wird die Oszillatorfrequenz f· des Oszillators 10 mit 26 MHz festgelegt, so ergibt sich durch eine Frequenz-Vervielfachung mit dem Faktor 3 die notwendige Frequenz f von 78 MHz.' Wird ein solches drahtloses Mikrophon in einem Bereich benutzt, in dem die elektrische Feldstärke der FM-Rundfunkwelle verhältnismäßig stark ist und wird das Ausgangssignal des Oszillators 10, dessen Oszillatorfrequenz f zu 78 MHz gewählt ist, von einem FM-Rundfunkempfänger mit einer automatischen Frequenzregelung empfangen, so wird nur die FM-Rundfunkwelle empfangen, da sie eine größere elektrische Feldstärke besitzt; es besteht infolgedessen die Gefahr, daß das Ausgangssignal des Oszillators 10 vom FM-Rundfunkempfanger nicht empfangen wird. Nähert sich ferner die Oszillatorfrequenz f der Frequenz der FM-Rundfunkwelle, so besteht die Gefahr des Auftretens von Interferenz.

Es ist daher erwünscht, daß die Oszillatorfrequenz f oder f in einem gewissen Maß geändert werden¹ kann. Ein

veränderlicher Frequenzbereich Δf von etwa 2 bis 3 MHz ist für praktische Zwecke ausreichend.

Der Frequenzbereich, innerhalb dessen der Lithiumtantalat-Vibrator 1 induktiv wird, ist im allgemeinen auf etwa 1,6 MHz bei einer Oszillatorfrequenz f von 26 MHz begrenzt, so daß der obige variable Frequenzbereich ^ f niemals allein durch die obige Schaltung erreicht werden kann. Wird ferner

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die verwendete Oszillatprfrequenz fVals Trägerfrequenz verwendet und mit dem Tonsignal (modulierendes Signal) moduliert, das vom drahtlosen Mikrophon abgenommen wird, so kann der gewünschte Frequenzbereich bzw. die große Frequenzabweichung selbst dann nicht erzielt werden, wenn die in Fig. 1 als Elemente zur Bestimmung der Oszillationskonstanten dargestellten Kondensatoren geändert werden, um die Frequenzabweichung groß zu machen. Mit anderen Worten: Wird die Kapazität der Kondensatoren geändert, so gelangt ihr veränderlicher Kapazitätsbereich unweigerlich in die Größenordnung von einigen pF bis zu einigen Hundert pF, was sich nicht realisieren läßt.

Wird dagegen, wie in Fig. 1 veranschaulicht, ein induktives Element, wie eine Spule 4 beim dargestellten Ausführungsbeispiel in Reihe mit dem Vibrator 1 aus LiTaO, geschaltet und seine Induktivität geändert, so lassen sich die Reaktanz-Charakteristika variieren. Auf diese Weise können die obigen Bedingungen I und II erfüllt werden.

Das Diagramm gemäß Fig. 2^eigt die Admittanz-Charakteristik des Lithiumtantalat-Vibrators 1, wobei in der Abszisse die Oszillatorfrequenz f und in der Ordinate die Admittanz Y aufgetragen ist. Im Diagramm gemäß Fig. 2 kennzeichnet f

CL

eine Parallel-Resonsnzfrequenz, wie bekannt, und F eine Serien-Resonanzfrequenz. Demgemäß wird im allgemeinen eine Oszillatorfrequenz innerhalb eines Frequenzbereiches verwendet, der durch die Kurve I₁ bestimmt wird, wobei die Reaktanz induktiv wird; es ist dies ein Frequenzbereich von etwa 1,6 MHz, wie oben beschrieben. Wird die Induktivität der Spule 4 geändert, so ändert sich in Fig. 2 die Charakteristik von einer Kurve Ip zu einer Kurve Ij,; die Serien-Resonanzfrequenz f wird also bei Vergrößerung des Induktivitätswertes abgesenkt; demgemäß wird der Frequenzbereich vergrößert, innerhalb dessen die Reaktanz induktiv wird.

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Aus diesem Grunde kann durch Einstellung des Induktivitätswertes eine beliebibe Grequenz im Frequenzbereich &f verwendet werden, ebenso wie die Neigung oder der Gradient der Variationskurve sich allmählich ändert. Infolgedessen kann eine große Frequenzabweichung bei der gewünschten Frequenz erzielt werden. Wird beispielsweise die äquivalenrte Oszillatorkapazität C um +_&C geändert, so ergibt sich eine Oszillatorfrequenz von f + ^f . Bei diesem Beispiel ist + &f„ die Frequenzabweichung; sie ist demgemäß größer als im Falle der Kurve I₁. Die äquivalente Oszillatorkapazität G_Q läßt sich mit den Kapazitätswerten der Kondensatoren 2 und 3 sowie der Kapazitätsdiode 12 (jeweils bezeichnet mit C^., C„ bzw. C_ß wie' folgt ausdrücken:

1 - ■ J^. + JL + Jl-^Co ^Cl ^C2 ^CD

Wird die Induktivität variabel gemacht, so kann eine große Frequenzabweichung erreicht werden; ebenso kann man ohne weiteres durch geeignete Wahl des Induktivitätswertes den Frequenzbereich von 2 bis 3 MHz erzielen. Die obigen Bedingungen I und II können daher leicht durch Verwendung lediglich der Spule 4 erfüllt werden.

Wird der veränderliche Oszillator 10 unter Benutzung der Spule 4 aufgebaut, so ergibt sich eine beträchtliche Änderung der Oszillatorfrequenz bei einer Temperaturänderung. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Vibrator 1 aus Lithiumtantalat selbst eine Temperaturcharakteristik besitzt, die eine quadratische, nach unten konvex gekrümmte Form besitzt, und daß auch die Spule. 4 selbst eine solche Temperaturcharakter'istik aufweist. Infolgedessen kann unter Verwendung dieser Spule 4 ein variabler Oszillator mit hoher Stabilität nicht erzielt werden,

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Die obige Bedingung III läßt sich also nicht erfüllen.

Die Spule ¹J besitzt in einem solchen Falle eine Temperaturcharakteristik, bei der sich der Induktivitätswert linear sehr in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung ändert, und zwar deswegen weil die magnetische Permeabilität des (Ferrit-) Kernes der Spule 4 sich stark mit der Temperatur ändert. Wird die Oszillatorfrequenz f zu 26 MHz gewählt und die Oszillatorfrequenz f zwischen +400 KHz (= f +Af = f· ) und - 600 KHz (= f -Af' = f" ) ver-

SS SSS

schoben, so zeigt das Diagramm gemäß-Fig. 3 die Temperaturcharakteristik der Oszillatorfrequenz. Die Kurve 15a veranschaulicht die. Temperaturkennlinie bei der Frequenz f ,

die Kurve 15b die Temperäturkennlinie bei der Frequenz f

und die Kurve 15c die Temperaturcharakteristik bei der Frequenz f" . Wird die Temperatur von 20 auf 40°C erhöht, so ergibt sich (bei f· ) eine Änderung von 300 PPM (was +^ 7,8 KHz als Frequenzänderung entspricht). Wird also ein Oszillator in diesem Zustand verwendet, so können Frequenzstabilität sprobleme auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen variablen Oszillator zu entwickeln, dessen Oszillatorfrequenz sich über einen weiten Bereich ändern läßt. Der variable Oszillator soll weiterhin bei einer vorgegebenen Oszillatorfrequenz eine große Frequenzabweichung besitzen. Es wird weiterhin eine hohe Oszillatorfrequenz-Stabilität bei Temperaturänderungen angestrebt. Aufbau und Herstellung des erfindungsgemäßen Oszillators sollen einfach sein. Schließlich soll der variable Oszillator vorteilhaft bei drahtlosen FM-Mikrophonen einsetzbar sein.

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Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 das bereits erläuterte Schaltbild eines bekannten variablen Oszillators;

Fig. 2 das Diagramm der Admittanz-Kennlinie des

Lithiumtantalat-Vibrators bei Änderung der Induktivität;

Fig. 3 das Diagramm der Temperatur-Kennlinie der Oszillator-Frequenz des Oszillators gemäß Fig. 1; "

Fig. 4 das Schaltbild eines Ausführungsbeispieles

des erfindungsgemäßen variablen Oszillators;

Fig. 5 und 6 Diagramme der Temperaturkennlinien

verschiedener Kondensatoren des Oszillators gemäß Fig. 4;

Fig. 7 das Diagramm der Temperaturkennlinien des

Oszillators zur Erläuterung des Temperatur-Kompensations-Zustandes eines Kondensators;

Fig. 8 das Diagramm der Temperaturkennlinien der Oszillator-Frequenz zur Erläuterung der Temperatur-Kompensations-Zustände von zwei Kondensatoren.

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Anhand von Pig. 4 sei nun ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen variablen Oszillators erläutert. Soweit er dieselben Bauteile wie der Oszillator gemäß Pig. I enthält, sind dieselben Bezugszeichen benutzt.

Der variable Oszillator 20 gemäß Pig. ²J enthält einen Kondensator 22, dessen Kapazität sich linear mit der Temperatur ändert. Dieser Kondensator 22 ist in Reihe mit einem Vibrator 21 aus Lithiumtantalat (LiTaO₇,) geschaltet. Die Reihenschaltung von Kondensatoren 32, 33 ist an die Basis des Transistors Q. angeschlossen. In diesem Falle besitzt wenigstens einer der beiden Kondensatoren 32, eine Temperaturcharakteristik (Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur), die eine konvex nach unten gekrümmte Form, nach Art einer quadratischen Kennlinie, besitzt; hierdurch wird die Stabilität der Oszillatorfrequenz gegenüber Temperaturänderungen verbessert.

Im folgenden sei nun einer der Kondensatoren, beispielsweise der Kondensator 22, näher erläutert. Wie das Diagramm gemäß Fig. 5 zeigt, wird ein Kondensator 22 verwendet, dessen Kapazität sich linear mit der Temperatur ändert. Der Kondensator wird so ausgewählt, daß sich seine Kapazität verringert, wenn die Temperatur über den normalen Wert (beispielsweise 25°C) steigt, was die Kurve If- in Fig. 5 andeutet. Ändert sich die Kapazität gemäß Kurve Ip-, so ändert sich gleichfalls die äquivalente Oszillator-' kapazität C und demgemäß auch die Oszillatorfrequenz. Die mit einer solchen Kapazitätsänderung Hand in Hand gehende Frequenzänderung ist in Fig. 5 durch die gestrichelte Linie IV veranschaulicht.

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In der Praxis kann als Kondensator 22 (mit einer Kapazitätsänderung gemäß der Geraden I^ in Fig. 5) eine veränderliche Kapazitätsdiode benutzt werden, deren Kapazität sich mit dem modulierenden Signal (erläutert anhand von Pig. I) ändert.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist ein Verbindungspunkt 27 zwischen einem variablen Widerstandselement 26a und einem Widerstand 26b an den Verbindungspunkt 28 zwischen Diode 22 und Vibrator 21 angeschlossen. Als variabler Widerstand 26a kann ein Halbleiterelement verwendet werden, dessen Widerstandswert sich mit der Temperatur ändert. Da die am Verbindungspunkt 27 und demgemäß auch am Verbindungspunkt 28 anliegende, durch Spannungsteilung gewonnene Vorspannung in Abhängigkeit . von der Temperatur geändert wird, ergibt sicbjeine Kapazitätsänderung der Diode 22 gemäß der Geraden I^ (Fig. 5).

Wird die Diode 22 (deren Kapazität sich gemäß der Geraden I₅ in Fig. 5 ändert) in Reihe mit dem LiTaO,-Vibrator 21 geschaltet, an den eine Spule 24 angeschlossen ist, so zeigt Fig. 7 die Änderung der Oszillatorfrequenz f bei Temperaturänderungen aller Elemente. Diese Kurven, die eine nach unten konvex gekrümmte Form, ähnlich einer quadratischen Kennlinie, besitzen, basieren auf den Kennlinien gemäß den Fig. 3 und 5·

Im Diagramm der Fig. 7 zeigt die Kurve 16a die Änderung der Oszillatorfrequenz bei der Frequenz f_. Entsprechend veranschaulicht die Kurve 16b die Änderung der Oszillatorfrequenz bei der Frequenz f' und die Kurve l6c die Änderung bei der Frequenz fⁿ _ai Betrachtet man

in Fig. 7 beispielsweise den Fall der Frequenz f_, so

tritt bei einer Temperatur von ca. 50 C eine Frequenz-

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änderung von etwa 500 PPM auf. Die Frequenzänderung 1st daher groß, selbst wenn nur die Diode 22 vorgesehen wird. Es wird also kein bemerkenswerter Kompensationseffekt erreicht; ein solcher variabler Oszillator besitzt daher praktisch nicht die gewünschten Wirkungen.

Erfindungsgemäß erhalten daher der ersten Kondensator 32 und/oder der zweite Kondensator 33 geeignete Temperatur-Kennlinien, um die Frequenzänderung in Abhängigkeit vonder Temperatur zu verkleinern.

Es sei zunächst der Fall erläut.ert, daß nur der erste Kondensator 32 eine geeignete Temperaturkennlinie erhält. Es wird zu diesem Zweck ein erster Kondensator 32 benutzt, der eine, quadratische Kennlinie (Abhängigkeit der Kapazität von der Temperatur) zeigt, die konvex nach unten gekrümmt ist, wie dies in Fig. 6 die Kurve Ig veranschaulicht. Ein solcher .Kondensator kann beispielsweise durch einen keramischen Kondensator gebildet werden. Bekanntlich besitzt ein solcher keramischer Kondensator eine quadratische Kennlinie, deren unterer Scheitelpunkt etwa bei Normaltemperatur liegt. Die von einer Kapazitätsänderung des ersten Kondensators 32 verursachte Änderung der Oszillatorfrequenz läßt sich in Fig. 6 durch die gestrichelte Linie l'g wiedergeben.

Nimmt man die Summe der Frequenzabweichungen gemäß den Fig. 6 und 7» so ergibt eine Temperaturänderung gegenüber der Normaltemperatur in Fig. 6 eine negative Frequenzabweichung, d.h. eine Absenkung der Frequenz; durch die Kompensation der Diode 22 allein (Fig. 7) ergibt sich dagegen bei einer Temperaturänderung eine positive Frequenzabweichung (d.h. eine Erhöhung der

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Frequenz). Die Änderung der Oszillatorfrequenz f₂ der ganzen Oszillatorschaltung, einschließlich des Kondensators 32 und der Diode 22, läßt sich daher in Fig. 8 durch die Kurven 17a, 17b und 17c wiedergeben.

Bei den Versuchen wurde festgestellt, daß die Frequenzänderung bei Temperaturänderungen von -10 bis +40 C kleiner als +_ 100 PPM ist und daß bei Temperaturen über 60°C die Frequenzänderung auf weniger als +_ 200 PPM gedrückt werden .kann, was eine völlig ausreichende Kompensationswirkung darstellt.

Der erfindungsgemäße variable Oszillator 20 enthält somit einen Kondensator 32, dessen Kapazität sich linear mit der Temperatur ändert, ferner einen Kondensator 32, dessen Temperatur-Kennlinie ..eine quadratische Kennlinie i st, die konvex nach unten gekrümmt ist. Auf diese Weise kann eine durch Änderungen der Temperatur bedingte Änderung der Oszillator-Frequenz f« oder f wirksam unterdrückt werden. Der erfindungsgemäße Oszillator besitzt damit eine wesentlich verbesserte Temperaturcharakteristik und einen weiten veränderlichen Bereich der Oszillatorfrequenz sowie eine große Frequenzabweichung bei" der Frequenzmodulation. Er erfüllt ferner auch die Bedingung einer hohen Frequenzstabilität.

■ Die erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich darüberhinaus durch einen sehr einfachen Aufbau aus, so daß der Oszillator mit kleinen' Abmessungen und kostensparend 'hergestellt werden kann. Der erfindungsgemäße variable Oszillator läßt sich daher besonders vorteilhaft als Frequenzmodulationskreis für ein drahtloses Mikrophon einsetzen. Selbst wennn ein veränderlicher Frequenzbereich

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zwischen zwei und drei MHz gewählt wird, so ist die in diesem variablen Frequenzbereich auftretende Frequenzänderung wesentlich kleiner als bei den bisher bekannten Ausführungen. Gemäß den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen kann die Frequenzänderung innerhalb des Bereiches von Af kleiner als +_ 300 PPM gehalten werden.

Bei dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird als Kondensator mit linearer Temperaturkennlinie eine variable Kapazitätsdiode benutzt; es ist jedoch auch möglich, mit dem Lithiumtantalat-Vibrator 21 zu dem gleichen Zweck und mit derselben Wirkung einen Kondensator zu verbinden, der die oben erwähnte Temperaturcharakteristik besitzt. In diesem Falle werden das veränderliche Widerstandselement 26a und der Widerstand 26b entbehrlich.

Statt des ersten Kondensators 32 kann auch der zweite Kondensator 33 die erläuterte quadratische Kennlinie besitzen; es ist weiterhin auch möglich,·beiden Kondensatoren 32 und 33 die erwähnte quadratische Kennlinie zu geben.

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Claims

- 13 Patentansprüche

!.Veränderlicher Oszillator, fait einem aktiven Element, einem aus Lithiumtantalat bestehenden und mit dem aktiven Element verbundenen Vibrator, einem in Reihe mit dem Vibrator geschalteten induktiven Element mit veränderlicher Induktivität sowie mit einem ersten und einem zweiten Kondensator, die in Reihe zum Vibrator geschaltet sind, dadurch ge'kennz e i c h η e t , daß sich die Kapazität des ersten Kondensators linear mit der Temperatur ändert, während die Kapazitäts-Temperaturkennlinie des zweiten Kondensators eine quadratische Kennlinie mit konvex nach unten gekrümmter Form ist.
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator durch eine veränderliche Kapazitätsdiode gebildet wird.
3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element und der Vibrator an eine Steuerelektrode des aktiven Elementes angeschlossen sind, daß der erste Kondensator zwischen Vibrator und Masse geschaltet ist und daß der zweite Kondensator zwischen die Steuerelektrode des aktiven Elementes und Masse geschaltet ist.
4. Oszillator nach Anspruch 3₃ dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator durch eine veränderliche Kapazitätsdiode gebildet ist und daß ein mit einem modulierenden Signal gespeister Eingangs-anschluß zwischen der veränderlichen Kapazitätsdiode und dem Vibrator vorgesehen ist.

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Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Kondensator in Reihe zwischen dem zweiten Kondensator und Masse angeordnet ist und daß sich die Kapazität dieses dritten Kondensators mit der Temperatur gemäß einer quadratischen Kennlinie mit konvexer Krümmung nach unten ändert.

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