DE2534275C2 - Oszillator mit einem auf einem Oberton erregten Quarz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Oszillator.

Ein Oszillator der vorgenannten Art ist aus der DE-PS 20 44 732 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Oberton-Quarzoszillator für höhere Frequenzer, ^u schaffen, der sich in einem größeren Frequenzbereich ziehen läßt und bei einer sicheren Vermeidung der Schwingungsanfachung des Grundtons einfach und unkritisch im Aufbau ist.

Diese Aufgabe ist bei einem Oszillator gemäß dem Oberbegriff erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Anwendung dieser Maßnahmen ergibt sich innerhalb des Ziehbereiches ein sehr geringer resultierender Quarzresonanzwiderstand bei dem ausgewählten Oberton und ein vergleichsweise hoher resultierender Quarzresonanzwiderstand bei dem Grundton, so daß infolge des Betriebes in der Nähe der Serienresonanz des Quarzes mit einem entsprechend geringen Einfluß der Quarzparallelkapazität ein vergleichsweise sehr großer Ziehbereich vorgesehen und ausgenutzt werden kann, ohne daß die Gefahr der Schwingungsanfachung des Grundtones oder parasitärer Schwingungen entsteht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung ist die Erfindung nachstehend näher erläutert. Die Zeichnung zeigt hierbei in

F i g. 1 das bekannte Prinzip der kapazitiven Dreipunktschaltung mit einem Quarz,

F i g. 2 das Ersatzschaltbild des dem Quarz zugekehrten Scheinwiderstandes der Anregungsschaltung nach Fig. 1,

F i g. 3 ein Prinzipschaltbild der Erfindung,

F i g. 4 den vereinfachten Impedanzverlauf der Parallelschaltung des Quarzes und des Bedämpfungswiderstandes,

F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung.

In F i g. 1 sind die wesentlichen Details einer kapazitiven Dreipunktschaltung dargestellt, wie sie für die Anregung von Grundtonquarzen verwendet wird. Die Kapazität Cl kann beispielsweise veränderbar sein, um die Quarzfrequenz einstellen zu können. Unter der vereinfachenden Annahme eines idealen Transistors TX mit hoher Stromverstärkung, reeller Steilheit y^i und verschwindendem Rückwirkungs- und Ausgangsleitwert ergibt sich das Ersatzschaltbild des dem Quarz (Jan den Klemmen A und Bzugekehrten Scheinwiderstandes der so Anregungsschaltung wie in F i g. 2 dargestellt. Die Kapazität C* ist diejenige Kapazität, die sich aus der Serienschaltung der Kapazitäten Cl, Cl und Cl ergibt und stellt die gesamte Lastkapazität der Anregungsschaltung dar. Der in Serie liegende negative Widerstand — Y2>lcoⁱC\Ci steigt mit fallender Frequenz ω quadratisch an, so daß ein angeschlossener Obertonquarz in seinem Grundton erregt würde.

F i g. 3 zeigt das Prinzipschaltbild der Erfindung mit dem Schwingtransistor TX, welcher basisseitig mit dem Anfang, emitterseitig mit dem Abgriff und koUektorseitig mit dem Ende des aus den Kapazitäten Cl und C2 bestehenden Spannungsteilers verbunden ist. Die Basis des Transistors Π ist über die Induktivität L 1 mit der Klemme A der Anregungsschaltung verbunden, während der Kollektor des Transistors TX zusammen mit dem geerdeten Fußpunkt der zweiten Spannungsteilerkapazität C 2 über die Ziehkapazität Cl mit dem Anschluß B verbunden ist. An diese beiden Anschlüsse A und B ist die Parallelschaltung aus dem auf den dritten Oberton angeregten Quarz Q und dem Bedämpfungswiderstand R 1 angeschlossen. Die Induktivität L 1 ist bei dem ausgewählten Oberton — in vorliegendem Fall bei dem dritten Oberton — des Quarzes in Serienresonanz mit dem mittleren Wert der Kapazität C*, d. h. mit derjenigen Kapazität, die sich aus der Serienschaltung des mittleren Wertes der Zieh-Kapazität Cl und den Spannungsteilerkapazitäten Cl und C2 ergibt. Somit bilden die Kapazitäten Cl, Cl und C2 mit der Induktivität LX einen Serienresonanzkreis bei der ausgewählten Schwingfrequenz des Quarzes, so daß sich der Quarz Q bei seiner eigenen, dem dritten Oberton entsprechenden Serienresonanz erregt. Bei der Frequenz des Grundtones bildet die Anregungsschaltung sodann eine Serienschaltung aus einem negativen Widerstand und einer kapazitiven Reaktanz der Größe:

*T*

wobei ωο = Kreisfrequenz des Obertons; Faktor 2,7 aus

errechnet

Für diese Schaltungsanordnung ist nur dann Ln Grundton die Anschwingbedingung erfüllt, wenn der dem Quarz Q parallelliegende Bedämfpungswiderstand R 1 hinsichtlich seines Wertes R] > 2AViStWaS anschließend anhand dt- r F i g. 4 noch näher erläutert wird.

F i g. 4 zeigt den vereinfachten Verlauf der Impedanz Zp, die sich aus der Parallelschaltung des Quarzes Q und des Bedämpfungswiderstandes R I ergibt, wobei der idealisierte Quarz durch den Blindwiderstand X₉ eines Serienresonanzkreises repräsentiert ist Der Impedanzverlauf von Z_p in der komplexen Ebene ist ein Kreis; die höchste erreichbare induktive Reaktanz

γ = ι

^Apmax ~

ergibt sich bei einem Scheinwiderstand

z„ = A _+J A.

Zur Erzielung einer stationären Schwingung muß aber die induktive Reaktanz X_p dieser Parallelschaltung dem Betrage nach gleich der kapazitiven Reaktanz der Anregungsschaltung sein. Die Dimensionierungsvorschrift für den Bedämpfungswiderstand R i bei ausgewählter Erregung des dritten Obertons und gleichzeitiger Vermeidung einer Anregung des Grundtones muß also lauten:

(2)

¹ e>₀ VQ Cj C₂J

Wird für die Zieh-Kapazität Cl eine veränderbare Kapazität beispielsweise eine Varakterdiode verwendet, so ist in die Formel (2) der größtmögliche Betriebswert für die Zieh-Kapazität Cl einzusetzen. Der sich ergebende Wert für den Bedämpfungswiderstand ist bei geeigneter Dimensionierung der Schaltung sehr hochobmig im Vergleich zum Serienresonanzwiderstand des Quarzes bei dem gewünschten Oberton; auf jeden Fall soll der Wert R] des Bedämpfungswiderstandes R 1 wesentlich größer als der Serienresonanzwiderstand des Quarzes bei dem ausgewählten Oberton bemessen sein. Bei dem anschließend anhand der F i g. 5 beschriebenen Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ergibt eine Veränderung der Schwingfrequenz um etwa ±4 · 10~⁵ von der Serienresonanzfrequenz <wo noch keine störende Wirkung des Parallelwiderstandes, der bei Ablage der Schwingfrequenz ω von der Serienresonanz ω₀ den Verlustwinkel des Quarzes zwangsläufig vergrößert.

F i g. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung einen in der Frequenz und Phase nachsteuerbaren Quarzoszillator für 68,2 MHz, bei dem der Quarz Q auf dem dritten Oberton erregt ist. Der Emitter des Schwing-Transistors Ti vom npn-Leitfähigkeitstyp ist mit dem Abgriff des aus den Scliwingkapazitäten C1 und C2 bestehenden kapazitiven Spannungsteiler angeschlossen, dessen Fußpunkt auf Nullpotential 0 liegt. Die Basis des Transistors Ti ist über die Induktivität Ll mit dem einen Anschluß des Quarzes Q verbunden, dessen anderer Anschluß über die Serienschaltung aus der Varakterdiode D 1 und dem Abblockkondensator C3 zum Nullpotential 0 geführt ist. Die Varakterdiode D 1 entspricht den kapazitiven Ziehmitteln mit der Ziehkapazität Cl, die mittels einer an dem Nachsteuereingang N angelegten Gleichspannung derart steuerbar ist, daß die Frequenz des Oszillators bestimmungsmäßig um ±4 · IO-⁵ gezogen werden kann. Die Widerstände R 2 und /?3 dienen dem Gleichstrombetrieb der Varakterdiode, die Kondensatoren Ci und C 4 der reinen Gleichstromtrennung; sie haben keinen direkten Einfluß auf die prinzipielle Wirkungsweise des Oszillators. Der Bedämfpungswiderstand R 1 liegt dem Quarz ζ) über den vorgenannten Kondensator CΛ parallel.

Die Kapazität, die aus der Serienschaltung der Schwingkapazitäten CI und C 2 sowie der Kapazität Cl der Varakterdiode D 1 resultiert, hat im gesamten Ziehbereich und unter Berücksichtigung der Transistorkapazitäten einen Wert C* von weniger als 9 pF und-somit beim Grundton eine kapazitive Reaktanz von X_c > 700 Ω nach der Formel (1). Der theoretisch maximale Wert für den Bedämpfungswiderstand R 1 beträgt daher /?i = 1400 Ω.

Der Schwingtransistor Ti wird in seiner Steilheit mittels des Regeltransistors Γ2 vom pnp-Leitfähigkeitstyp auf konstante Schwingamplitude bzw. konstante Ausgangsspannung Ua geregelt. Zu diesem Zweck ist der Regeltransistor T2 kollektorseitig über den einen Widerstand R 4 der Basisspannungsteilerwiderstände R 4 und R 5 des Transistors T1 mit dessen Basis, emitterseitig mit Nullpotential 0 und basisseitig mit dem Ausgang einer Gleichrichterschaltung CT, DA verbunden, welche über die Parallelschaltung des Widerstandes R 11 und des Kondensators CS mit dem Kollektor des Verstärkertransistors T3 verbunden ist. Dieser Transistor T3 ist wiederum vom npn-Leitfähigkeitstyp und ist basisseitig über den Widerstand R8 mit dem Kollektor des Transistors TI, kollektorseitig über den Arbeitswiderstand R 12 mit Nullpotential 0 und emitterseitig über den Emitterwiderstand R 13 mit dem negativen Versorgungspotential — Un verbunden. An diesem Potential — Ue

liegt auch der Emitter des Transistors Π über den Emitterwiderstand R 7, die Basis des Transisttors 7"2 über den Widerstand R 9 und der Verbindungspunkt der Diode D 4 mit dem Widerstand R 11 über den Widerstand R 10. Somit ist der Sollwert für die Amplitudenregelung durch Spannungsteilung der Betriebsspannung mittels der Widerstände RiO und /?11 erzeugt und spannt die Gleichrichterdiode D 4 in Sperrichtung vor. Die

5 Amplitudenregelung regelt die Schwingstufe T\ bei Erreichen des Sollwertes der Ausgangsspannung Ua über den Querstrom des Basisspannungsteilers R 4, R 5 in das B- bzw. C-Gebiet. Die Regelgieichrichteranordnung ist wegen der Antiserienschaltung der Gleichrichterdiode D4 und der Emitter-Basisdiode des Regeltransistors T2 temperaturkompensiert. Damit der Verstärkertransistor T3 eine ausreichende Kollektor-Basisspannung erhält, ist der Kollektor des

ίο Transistors Ti über den niederohmigen Kollektorwiderstand R 6 und die beiden in Durchlaßrichtung betriebenen Dioden D 2 und D 3 mit dem Nullpotential 0 verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

60 ί«

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Oszillator mit einem auf einem Oberton erregten Quarz und einem Transistor in Colpitts-Schaliung, bei welcher der Transistor basisseitig mit dem Anfang, emitterseitig mit dem Abgriff und koUektorseitig zumindest indirekt mit dem Ende eines kapazitiven Spannungsteilers verbunden ist, bei welcher dem Spannungsteiler eine Serienschaltung aus dem Quarz und einer aus einem Kondensator und einer Induktivität bestehenden veränderbaren Reaktanz parallelgeschaltet ist. die bei dem ausgewählten Oberton des Quarzes in Serienresonanz mit dem Kondensator und dem kapazitiven Spannungsteiler ist, und bei welchem dem Quarz ein Bedämpfungswiderstand parallelgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung (Cl, L 1, Q) mit ihrem Kondensator (Cl) wechselstrommäßig einseitig an Masse angeschlossen ist, daß der Kondensator (Cl) als abstimmbarer Kondensator ausgebildet ist und derart bemessen ist, daß er mit seiner mittleren Kapazität zur Serienresonanz beiträgt und daß der Bedämpfungswiderstand (Ri) größer als der Serienresonanzwiderstand des Quarzes (Q) bei dem ausgewählten Oberton bemessen ist und andererseits jedoch so niederohmig ist, daß die Anregung des Grundtones des Quarzes vermieden wird.

2. Transistoroszillator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erregung des dritten Obertones des Quarzes (Q).

3. Transistoroszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abstimmbare Kapazität (D X) eine Varakterdiode ist