DE2622422A1

DE2622422A1 - Butler-oszillator

Info

Publication number: DE2622422A1
Application number: DE19762622422
Authority: DE
Inventors: Claude Herbert Feistel; Philip Theodore Gianos
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-05-20
Publication date: 1977-01-20
Also published as: IT1064306B; CA1047613A; FR2316786B1; FR2316786A1; US3996530A; JPS526066A; GB1512466A; JPS584482B2

Description

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iAnmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: AT 974 020

Butler-Os ζ illator

Die Erfindung betrifft einen Butler-Oszillator mit Widerstandsanjpassungsstufe aus einem Transistor in Kollektor-Schaltung und einer Spannungsverstärkerstufe aus einem Transistor in Basis-'schaltung und einem Serienresonanzkreis zwischen den Emittern der beiden Transistoren.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen hinsichtlich der erreich-| ibaren FrequenzStabilität wesentlich verbesserten Butler-Oszillajtor.
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Bei einem Butler-Oszillator wird ein piezoelektrischer Kristall oder eine andere Serienresonanzschaltung hoher Güte in einer I ilückkopplungsschleife zwischen dem Eingang einer Spannungsverstärjkerstufe und einer Widerstandsanpassungsstufe eingefügt, wobei [ jerstere in der Lage ist, eine Verstärkung größer als 1 zu liefern. In transistorisierten Schaltungen wird der Butler-Oszilla- j tor so verwirklicht, daß eine Stufe in Basis-Schaltung (Spannungs- | verstärkerstufe) als Treiber für eine Stufe in Kollektor-Schaltung (Widerstandsanpassungsstufe) dient. Der Kristall ist dabei zwischen den Emittern der beiden Transistoren eingefügt.

Beim Butler-Oszillator wird die Serienresonanz und nicht die Parallelresonanz eines Kristalls oder einer entsprechenden Schaltung ausgenutzt. Vom Standpunkt der Frequenzstabilität aus wird die höchste Stabilität dadurch erreicht, daß der Kristall in Se-

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rienresonanz betrieben wird, weil er hinsichtlich der Streukapazität, die seine effektive Resonanzfrequenz ändert, nicht so an-I fällig ist, wie bei Betrieb in Parallelresonanz.

Ein weiterer Vorteil des Butler-Oszillators liegt darin, daß der ;Kristall in einem relativ niederohmigen Pfad angeordnet ist. Da der Serienwiderstand des Kristalls bei der Serienresonanzfrequenz relativ niedrig ist, erzielt man eine relativ hohe Güte, wenn der Kristall in einem relativ niederohmigen Strompfad angeordnet ist. Die effektive Güte der Schaltung v/ürde verringert werden, wenn der Kristall in Serienresonanz in einem relativ hochohmigen Pfad betrieben würde. Höhere Frequenzstabilität des Oszillators wird dadurch erreicht, daß der Kristall in einer Schaltung der höchstmöglichen Güte betrieben wird, denn je höher die Güte, desto näher liegt die Schwingfrequenz des Kristalls bei seiner echten, natürlichen Resonanzfrequenz.

Der Widerstand des Strompfades, in welchem der Kristall oder eine entsprechende Serienresonanzschaltung hoher Güte liegt, sollte nicht nur so niedrig wie möglich sein, sondern er sollte auch konstant sein. Widerstandsänderungen führen zu Verzerrungen und damit zu Frequenzinstabilitäten. Außerdem wird die Kristallgüte reduziert, und zwar umsomehr, je mehr die Widerstandswerte über ihren Minimalwert hinaus anwachsen.

Für optimale Frequenzstabilität sollte der Kristall nur in einer Sinusschwingung betrieben werden, da Verzerrungen durch Oberwellen zu Instabilitäten führen, die dem Maß der Verzerrung proportional sind.

Bei bekannten konventionellen Butler-Oszillatoren ist es nicht möglich, den Kristall in einem Strompfad mit konstantem, niedrigem Widerstand zu betreiben. Es ist außerdem unmöglich, den Kristall in relativ reiner Sinusschwingung zu betreiben.

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Es ist demzufolge die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, einen verbesserten Butler-Oszillator anzugeben, bei dem der Kristall in einem relativ niederohmigen Strompfad hoher Konstanz angeordnet ist und nur in relativ reiner Sinusschwingung betrieben wird.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in den Ansprüchen niedergelegt.

Zusammenfassend wird die Erfindung darin gesehen, daß die Frequenzstabilität eines konventionellen Butler-Oszillators durch !Einsatz eines amplitudenbegrenzenden Verstärkers und eines zwi- !sehen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingang der Widerstandsjanpassungsstufe des konventionallen Butler-Oszillators angeordnejten Filters wesentlich verbessert. In einem transistorisierten !Ausführungsbeispiel ist der Eingang des amplitudenbegrenzenden Verstärkers mit dem Ausgang einer Spannungsverstärkerstufe in Ba-Isis-Schaltung verbunden. Der Ausgang des amplitudenbegrenzenden

Verstärkers liefert ein verzerrtes, nichtsinusförmiges Signal. 'Dieses Signal wird in dem genannten Filter in eine reine Sinusschwingung umgewandelt, bevor es dem Eingang der Widerstandsanpassungsstufe in Kollektor-Schaltung zugeführt wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel reduziert ein Dämpfungsglied die Amplitude der Sinusschwingung, welche dem Eingang der Widerstandsanpassung zugeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, daß sowohl die Kollektor-Schaltung (Widerstandsanpassungsstufe) als auch die Basis-Schaltung (Spannungsverstärkerstufe) stets im linearen Bereich betrieben werden, wobei weder eine völlige Sperrung noch eine Sättigung eintreten kann. Dies bewirkt eine weitere Verbesserung der Frequenzstabilität, indem der Kristall oder die entsprechende Resonanzschaltung hoher Güter in einem niederohmigen Strompfad hoher Konstanz angeordnet ist und lediglich über eine reine Sinusschwingung angetrieben wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

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Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild eines konventionallen Butler-Oszillators und

Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Butler-Oszillators mit erhöhter Frequenzstabilität.

Zunächst sei der konventionalle Butler-Oszillator gem. Fig. 1 näher betrachtet. Die Spannungsverstärkerstufe mit Transistor 32 in Basis-Schaltung hat eine Verstärkung größer 1. Mittels der Widerstände 34, 35, 36 und 37 wird der Betriebspunkt des Transistors 32 eingestellt. Der Ausgang dieser Verstärkerstufe ist vom Knoten 47 über einen Widerstand 42 und einen Kondensator 41 an die Basis einer Widerstandsanpassungsstufe mit Transistor 33 in Kollektor-Schaltung geführt. Für die vorstehende Analyse kann der Widerstand 42 als vernachlässigbar niedrig angenommen werden. Außerdem kann angenommen werden, daß bei der Betriebsfrequenz des Oszillators die Kapazität von Kondensator 41 einen Kurzschluß darstellt, über Widerstände 38, 39 und 40 wird der Betriebspunkt des Transistors 33 eingestellt. Ein Kristall 31 oder eine entsprechende Serienresonanzschaltung hoher Güte liegt zwischen den Emittern der Transistoren 32 und 33.

Selbstverständlich müssen bei der Schaltung nach Fig. 1 die Schwingungsbedingungen erfüllt sein, d.h., die Schleifenspannungsverstärkung muß größer 1 und die Schleifenphasenverschiebung muß praktisch 0° oder ein Mehrfaches von 360° sein. Sind diese Kriterien erfüllt und geht man vom Emitter des Transistors 32 aus, so beträgt die Phasenverschiebung durch die Basis-Schaltung des Transistors 32 praktisch 0, während die Spannungsverstärkung dieser Verstärkerstufe relativ hoch sein kann, auf alle Fälle höher als 1. Infolge der vernachlässigbaren Widerstandswerte von Widerstand 42 und Kondensator 42 tritt keine Phasenverschiebung auf. Die Phasenverschiebung der Widerstandsanpassungsstufe mit

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Transistor 33 in Kollektor-Schaltung ist ebenfalls praktisch 0. In Serienresonanz bildet der Kristall 31 einen sehr geringen, im wesentlichen ohmschen Widerstand, so daß ebenfalls keine Phasenverschiebung auftritt. Ausgehend vom Emitter des Transistors 32, liefert die vom Transistor 32, Widerstand 42, Kondensator 41, Transistor 33 und Kristall 31 gebildete Schaltung eine Schlei- !fenspannungsverstärkung größer 1 und die Schleifenphasenverschiebung ist praktisch 0. Die Widerstandsanpassungsstufe mit Transi- ; stör 33 in Kollektor-Schaltung weist zwar eine Spannungsverstärkung von weniger als 1 auf, die Verstärkung der Verstärkerstufe mit Transistor 32 in Basis-Schaltung kann jedoch so eingestellt werden, daß die gesamte Schleifenspannungsverstärkung größer 1 ist. \

Eines der Probleme bei der beschriebenen bekannten Schaltung besteht darin, daß der Kristall 31 manchmal mit einer Vielfachen i (im allgemeinen mit einer ungeraden Vielfachen) seiner natürli- ' ;chen Resonanzfrequenz arbeitet. Außerdem kommt es in Abhängigkeit j von der strukturellen Konfiguration des Kristalls vor, daß eine Frequenz auftritt, die nicht im Zusammenhang mit der natürlichen :

Resonanzfrequenz oder einer Harmonischen davon steht. Aus diesem j Grunde ist man bereits dazu übergegangen, zwischen Knoten 47 und j dem Anschluß 48 der positiven Betriebsspannungsquelle einen Paral-, ιlelschwingkreis mit Kondensator 45 und Induktivität 46 einzufügen.! Dieser Parallelresonanzkreis bildet für die außerhalb der Reso- | nanzfrequenz liegenden Frequenzkomponenten einen extrem geringen J .Widerstand, so daß diese Frequenzkomponenten ausgeschaltet werden.) Die Güte des Parallelresonanzkreises ist relativ gering gewählt, ■ um die Frequenzsteuerung durch den Kristall sicherzustellen. Der Widerstand 35 hat deshalb die Funktion, die Güte des Parallelschwingkreises zu senken, indem er den bei Resonanzfrequenz auf- : tretenden hohen Widerstand des Parallelschwingkreises reduziert.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Oszillators besteht darin, ' ^:

daß das an die Basis des Transistors 33 mxd über den Kristall 31

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an den Emitter des Transistors 32 gelangende verstärkte Signal eine solche Jünplitude aufweist, daß beide Transistoren 32 oder 33 gesperrt oder der Transistor 33 gesättigt werden kann. Sowohl bei I der Sperrung als auch bei der Sättigung treten an den Emittern der •'beiden Transistoren Widerstandsänderungen auf, die Frequenzinsta- I bilitäten verursachen. Diese Stabilitätsprobleme werden zumindest j teilweise dadurch verursacht, daß die Schaltungskomponenten bei ; nichtlinearen Betriebsarten empfindlich gegen Temperatur- und Betriebsspannungsschwankungen sind.

Außerdem verursacht ein nichtlinearer Betrieb der Transistoren 32 und 33 Verzerrungen des dem Kristall 31 zugeführten sinusförmigen Signals. Wie bereits oben erwähnt, verursacht ein nichtsinusförmiges Signal am Kristall 31 eine gewisse Frequenzinstabilität. Um beide, durch den nichtlinearen Betrieb der Transistoren 32 und 33 verursachten Probleme zu beseitigen, hat man parallel zum Parallel* schwingkreis 46, 45 zwei einzelparallel geschaltete Dioden 43 und 44 angeordnet. Durch diese Diode kann man erreichen, daß die Spitzen-Spitzen-Spannung des an die Basis des Transistors 33 gelegten Signals doppelt so groß ist wie der Spannungsabfall an den Dioden in Vorwärtsrichtung. Außerdem kann der Widerstand 42 etwas vergrößert werden, so daß er zusammen mit dem Widerstand 40 einen Spannungsteiler für das der Basis des Transistors 33 zuzuführende Signal bildet. Der zusätzliche Einbau der Dioden und die richtige Wahl des Widerstandes 42 kann verhindern, daß die beiden Transistoren 32 und 33 nichtlinear arbeiten. Da das am Transistor 33 angelegte Signal jedoch begrenzt wurde, liefert der Transistor 33 an den Kristall 31 nicht mehr ein sinusförmiges sondern ein entsprechendes verzerrtes Signal» Dies führt wiederum zu Frequenzinstabilitäten. Außerdem verlangt diese Schaltung verhältnismäßig enge Toleranzen aller Komponenten, um die entsprechende Schleifenverstärkung zu erzielen und den nichtlinearen Betrieb der Transistoren zu verhindern. Die Notwendigkeit enger Toleranzen ist insbesondere dann nachteilig, wenn der Oszillator in integrierter Technik oder auch als Schaltung mit geringem Leistungsverbrauch

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,auszuführen ist.

jFig. 2 zeigt den verbesserten Butler-Oszillator, bei dem alle auf- ;gezeigten Probleme beseitigt sind. Eine Verstärkerstufe mit einer j j Spannungsverstärkung größer als 1 umfaßt einen Transistor 2 in Ba-; j sis-Schaltung. Eine Widerstandsanpassungsstufe besteht aus einem ! Transistor 3 in Kollektor-Schaltung. Zwischen den Emittern dieser beiden Transistoren liegt ein Kristall 1 oder eine entsprechende ^! Serienresonanzschaltung hoher Güte. Die Basis des Transistors 2 !wird über den aus den Widerständen 16 und 17 bestehenden Spannungssteller und die Basis des Transistors 3 über den aus den Widerständen 8 und 9 bestehenden Spannungsteiler vorgespannt. Außerdem enthält der Oszillator einen Differentialverstärker mit den Transistof ren 11 und 12. Ein Eingang des Differentialverstärkers, die Basis von Transistor 11, ist mit dem Ausgang der Verstärkerstufe (Transistor 2) verbunden, während der andere Eingang des Differential- , !Verstärkers, die Basis von Transistor 12, am Ausgang einer weiteren

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! Spannungsverstärkerstufe liegt, deren Auslegung und Vorspannung j mit der den Transistor 2 umfassenden Spannungsverstärkerstufe idenf ¹ j

!tisch ist. Diese weitere Spannungsverstärkerstufe umfaßt einen j !Transistor 14 mit Widerständen 13 und 15, die gleich groß wie die jWiderstände 5 und 6 sind. Die Basis des Transistors 11 wird über jden an die Betriebsspannung angeschlossenen Strompfad aus Widerstand 6, Transistor 2 und Widerstand 5 vorgespannt. Der zwischen i dem Kollektor des Transistors 11 und dem positiven Anschluß 20 jder Betriebsspannungsquelle liegende Widerstand 10 ist der Kollektorlastwiderstand des Transistors 11. Die Emitter der Transistoren 11 und 12 sind miteinander verbunden und über einen gemeinsamen Emitterwiderstand 55 an Massepotential gelegt. Dieser Widerstand kann zum Zwecke der Veränderung der Amplitude des Ausgangssignals ides DifferentialVerstärkers eingestellt werden.

Bei der Betrachtung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Oszillators sei angenommen, am Emitter des Transistors 2 liege ein Wechselstromsignal relativ kleiner Amplitude. Dieses Signal wird

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durch den Transistor 2 verstärkt und der Basis des Transistors 11 zugeleitet. Jede Abweichung der Signalamplitude am Emitter des Transistors 2 bewirkt, daß das verstärkte Signal an der Basis des Transistors 11 das Ausgangssignal am Ausgang 21 des Differentialverstärkers entgegengesetzt verändert. Mit dieser Änderung des Signals am Ausgang 21 des Differentialverstärkers geht eine Abänderung der Kollektorausgangsspannung vom Transistor 12 einher, die gleichphasig mit der Änderung der Emitter- und Kollektorspannungen des Transistors 2 ist. Das am Emitter des Transistors 2 anliegende Wechselspannungssignal, das durch den Transistor 2 verstärkt und der Basis des Transistors 11 zugeführt wird, verursacht leicht abwechselnde starke Leitung und Sperrung des Transistors 11. Das bedeutet, daß am Kollektor des Transistors 11 eine Rechteckspannung entsteht. Soll die erfindungsgemäße Schaltung als stabiler Rechteckwellen-Oszillator verwendet werden, so können die entsprechenden Signale am Ausgang 21 abgenommen werden. Das um 180° gegenüber dem Signal am Kollektor des Transistors 11 phasenverschobene, aber mit dem Signal am Emitter des Transistors 2 gleichphasige Signal am Kollektor des Transistors 12 wird einem Parallelschwingkreis zugeführt. Dieser Parallelschwingkreis besteht aus einem Kondensator 18 und einer Induktivität 19, die zwischen dem Kollektor des Transistors 12 und dem positiven Anschluß 20 der Betriebsspannungsquelle angeordnet sind. Das am Kollektor des Transistors 12 anstehende Rechtecksignal wird durch den Parallelschwingkreis in ein sinusförmiges Signal umgewandelt. Alle Storfrequenzen und Oberwellen werden dadurch eliminiert. Ein parallel zum Parallelschwingkreis angeordneter Widerstand 7 reduziert die Güte des Schwingkreises und verhindert dadurch Frequenzunstabilitäten des Oszillators.

Das sinusförmige Signal am Parallelschwingkreis wird dem aus den Widerständen 8 und 9 gebildeten Spannungsteiler zugeführt. Das am Abgriff des Spannungsteilers anstehende Signal wird der Basis einer Widerstandsanpassungsstufe mit Transistor 3 in Kollektor-Schaltung zugeführt. Damit ist sichergestellt, daß an

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der Basis des Transistors 3 ein reines sinusförmiges Signal relativ geringer Amplitude ansteht und die Transistoren 3 und 2 werden somit in ihrem linearen Bereich betrieben, sie geraten weder in Sättigung noch werden sie gesperrt. Das vom Transistor 3 an
den Kristall 1 gelieferte Signal zeigt einen unverzerrten sinusförmigen Verlauf.

Aufgrund des ständigen Betriebes der Transistoren 2 und 3 im linearen Bereich, ist der Kristall 1 in einem niederohmigen Strompfad hoher Konstanz angeordnet, was, wie bereits diskutiert,
zur Frequenzstabilität beiträgt. Die Frequenzstabilität wird
weiter dadurch erhöht, daß der Kristall 1 über ein reines sinusförmiges Signal betrieben wird. Der Einsatz eines Amplitudenbegrenzers, nämlich des Differentialverstärkers, dem ein Filter in Form eines Parallelschwingkreises nachgeschaltet ist, garantiert eine hohe Frequenzstabilität des Oszillators. Der Oszillator läßt sich in integrierter Technik verwirklichen, ohne daß kritische
Toleranzforderungen zu erfüllen wären.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. ' Butler-Oszillator mit Widerstandsanpassungsstufe aus einem

Transistor in Kollektor-Schaltung und einer Spannungsverstärkerstufe aus einem Transistor in Basisschaltung und einem Serienresonanzkreis zwischen den Emittern der beiden Transistoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Spannungsverstärkerstufe über einen Amplitudenbegrenzer und nachgeschalteten, auf die Betriebsfrequenz abgestimmten Resonanzkreis mit dem Eingang der Widerstandsanpassungsstufe verbunden ist.

2. Butler-Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienresonanzkreis ein piezoelektrischer Kristall ist.

3. Butler-Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Amplitudenbegrenzer ein Differentialverstärker ist.

4. Butler-Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Betriebsfrequenz abgestimmte Resonanzkreis ein Parallelschwingkreis ist, dessen einer Anschluß mit einem Ausgang des DifferentialVerstärkers und dessen anderer Anschluß ebenfalls wie der Eingang der Widerstandsanpassungsstufe wechselstrommäßig mit Masse verbunden ist.

5. Butler-Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß des Parallelschwingkreises über ein Dämpfungsglied mit dem Eingang der Widerstandsanpassungsstufe verbunden ist.

6. Butler-Oszillator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß ein erster Eingang des Differentialverstärkers mit dem

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Ausgang der Spannungsverstärkerstufe und der zweite Eingang mit dem Ausgang einer weiteren, mit der ersten identischen Spannungsverstärkerstufe verbunden ist.

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