DE2623398C2

DE2623398C2 - Sinusoszillator mit veränderbarer Frequenz aus einer Transistor-Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE2623398C2
Application number: DE2623398A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Santa Clara Calif. Cloke; Frank J. Los Gatos Calif. Sordello
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1976-05-25
Publication date: 1984-06-20
Also published as: CA1052452A; ES448266A1; NL181539C; GB1545551A; US4003000A; JPS51144553A; FR2312877A1; DE2623398A1; NL181539B; SE7605947L; JPS6211043Y2; IT1062957B; FR2312877B1; NL7605579A; JPS5474047U; SE415426B

Description

Die Erfindung betrifft einen Sinusoszillator mit veränderbarer Frequenz, bei dem zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors einer Transistor-Verstärkerschaltung ein Rückkopplungskreis, bestehend aus einem ohmschen Widerstand und zumindest einem Kondensator, angeschlossen ist.

Zur Änderung der Schwingungsfrequenz innerhalb vorgegebener Grenzen werden häufig Rechteck- oder Sägezahn-Oszillatoren angewendet, deren Schwingungen nicht sinusförmig sind. Hierzu werden die gleichförmig zunehmenden oder abfallenden Flanken des Signalverlaufes in einer Schaltung geändert die ihrerseits die Dauer der einzelnen Signale und damit die Frequenz des Oszillators verändert. In den Oszillatoren dieser Art nc Eigenkapazität des Transistors ausgenutzt die im Emitter-Basispreis mit einer Spule und einer Stromquelle in Reihe geschaltet ist. Eine Änderung des durch diese

Spule fließenden Gleichstromanteiles führt zu einer Änderung der Eigenkapazität des Transistors, durch die die Schwingfrcqusnz gesteuert wird. In der Praxis hat sich herausgestellt daß die Eigenkapazität eines transistors sich auf diese Weise nur in beschränktem Maße abän-

SO dem laßt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 17 66 136 ist ein Oszillator mit einem der Verstärkung dienenden Transistor bekannt, zwischen dessen Kollektor und dessen Biisis sowohl ein Netzwerk mit mehreren Dioden und einem den Gleichstrom trennenden Kondensator zur Amplitudenbeschränkiing der Ausgangssignale, die entweder am Kollektor oder an der Basis abgenommen werden, als auch ein Riickkopplungskreis angeschlossen sind, in dem ein mehrstufiger RC-Phasenschieber mit Kapazitäts- und Widerstandsdioden über entsprechende Koppclkapa/.itäien eingefügt ist, Wenn diesem RC-Phasenschieber eine entsprechende Steuerspannung zugeleitet wird, werden die ohmschen Widerstands- und Kapazitiitswerie gleichzeitig im gleichen Sinne elck-

treten jedoch wegen der Erzeugung harmonischer Frc . _

quenzen und wegen der Störsignale Probleme auf. Da 45 irisch geändert, um schnelle und breitbandige Andcrunder Anstieg oder der Abfall der stufenartigen Signale gen der Oszillatorfrcquenz /.. B. bei einer Frequenzmohäufig unstetig geändert werden muß, besteht nicht nur A„uu_nn v,, _Pr7\n\_Pn nie "stenersnanniins? ruft nämlich die Neigung zur Entstehung von Störsignalen, sondern
es werden auch zahlreiche Harmonische der gewünschten Grundfrequenz hervorgerufen. Somit ist die Anwendung der Erzeuger von nicht sinusförmigen Schwingungen auf Bereiche beschränkt, in denen die harmonischen
Frequenzen und das Rauschen geduldet werden können; ansonsten müssen aufwendige Maßnahmen getroffen werden, damit die unerwünschten Signale unterdrückt und ausgefiltert werden. Außerdem wird der Erzeuger nicht sinusförmiger Schwingungen benutzt,
wenn die Schwingungsfrequenz verändert weiden muß.
Demgegenüber weisen die Sinusoszillatoren nicht
diesen Nachteil der Entstehung von Stöisignalen und
harmonischen l'rcqueiven auf. Aus diesem Gesichts

punkt heraus weiden sie Mets dann angewendet ν saubere Sienalformon benötigt werden. Die Sch

, wenn

Signalformen benötigt werden. Die Schwingungsfrequen/. kann sich jedoch mit ilen Kenngrößen tier Schaltungselemente und -bestandteile andern. Mit anderen Worten gesagt, ist die Sclnvingungsfrcqueiiz direkt von diesen Kenngrößen abhängig: die (ienauigki'it. mit der ein Sinusox/illator bei einer \orgegebenen dulation zu erzielen. Die Steuerspannung ruft nämlich zugleich eine Sperrgleichspannung an den Kapazitätsdioclcn und einen Seriengleichstrom an den Widerstandsdioden hervor. Mit einer steigenden Sperrspannung nimmt die Kapazität der Kapazitätsdioden ab, während dabei mit einem ansteigenden Strom durch die Widerstandsdioden deren Widerstand abnimmt, so daß mit Hilfe der Steuerspannung ein kumulativer Effekt

erreicht wird. Infolge der" gleichzeitigen Abnahme der Widerstands- und Kapazitätswerte wird die Frequenz, des Oszillators erhöht; daher kann durch Anlegen der entsprechenden Sleuerspannung die Frequenz des Oszillators passend abgeändert werden, dessen Ausgangsstufe, wie erwähnt, entweder am Kollektor oder an der Basis des Transistors abgegriffen werden. Norma !erweise ist die angelegte Sieuerspannimg \oll wirksam, wenn der //('-Phasenschieber an passender Stelle geerdet ist. Wenn seine Leitung /ur Erde unterbrochen und stattdessen an einer weiteren SteuerquiTic angeschlossen wird, können eine enge Abstimmung und damit eine Festlegung der Phase erreicht werden. Inlolge dieser Maßnahme wird das Sieucrpoteniial als (i.in/cs auf ei·

W)

nen schmalen Wertebereich beschränkt, was sich sowohl auf die Kapazität der Kapazitätsdioden als auch auf den Widerstand der Widerstandsdioden auswirkt. Der Emitter des der Verstärkung dienender Transistors liegt unmittelbar an Erde. Zwischen der Leitung zur ·-. Erde und dem RC-Phasenschieber ist noch ein Trennkondensator vorgesehen, auf dessen Funktion in der deutschen Offenlegungsschrift 17 6b 136 nicht näher eingegangen ist. Es kann aber nicht ausgeschlossen werden, daß über diesen Trennkondensator, die Kapazitätsdioden des rtC-Phasenschiebers und den am Kollektor des Transistors liegenden Koppelkondensaior des Rückkopplungskreises ähnlich wie beim Oszillator nach der deutschen Offenlegungsschrift 19 09 116 die Eigenkapazität des Transistors bei der Aufrechlerhaliung der Schwingungen genutzt werden soll.

In der deutschen Offenlegungsschrift 17 66 13b isl ferne·· gesagt, daß durch die elektrische Steuergröße, also die genannte Steuerspannung entweder d^;<; elektrisch variable Reaktanz der Kapazitätsdioden oder der elcktrisch variable ohmsche Widerstand der Widerstandsdioden verändert werden kann. Es bleibt jedoch völlig offen, wie die eine oder andere Maßnahme schaltungstechnisch verwirklicht werden kann, da jede Aussage hierüber fehlt. π

In dem Aufsatz von H. N. Toussaint und P. Olps mit der Überschrift: »Transistor Power Oscillator, Electronically Tunable from 250 to 500 MHz«, abgedruckt in den »Entwicklungsberichten der Sicmens-Halskc-Wcrke« (August 1968), Seiten 159 bis 162, ist die Schaltung jo eines in einem weilen Bereich abstimmbaren Stromoszillators dargestellt, bei dem der der Verstärkung dienende Transistor mit seiner Basis über eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer elektronisch abänderbaren Induktivität und mit seinem Emitter js über eine Reihenschaltung aus einem verstellbaren Kondensator und einem feststehenden ohmschen Lastwiderstand an Erde gelegt isl. Obgleich dieser Kondensator als verstellbar gezeichnet ist. geht man in der zugehörigen Beschreibung davon aus, daß der Kondensator und der ohmsche Widerstand des Emitterzweiges feste Größen besitzen. Die Abänderung der Oszillatorfrequenz in einem weiten Bereich erfolgt nämlich innerhalb des Basiszweiges, dessen Induktivität aus einer Reihenschaltung einer Induktionsspule von fester Größe 4^r> und einem sog. Varactor gebildet ist, weicher gänzlich in der Sperrichiung vorgespannt sein sollte, und an dem die elektronische Abstimmung des Oszillators vorgenommen wird. Mit zunehmender Hochfrequenzspannung soll jedoch die zulässige Abänderung der mittleren ίο zu Abstimmzwecken verwendbaren Kapazität abnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sinusoszillator anzugeben, dessen Frequenz, bei einer festen Einstellung der Schaltungselemente des /wischen der Basis und dem Kollektor angeschlossenen Rückkopplungskreises, in einem weiten Bereich abgeändert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Transistor-Verstärkerschaltung die Phase mi verändert wird, indem zwischen dem Emitter des Transistors und Erde sowohl eine Reihenschaltung aus einem weiteren ohmschen Widerstand, dessen Größe zur Einstellung der Frequenz veränderbar ist, und aus einem Kondensator von fester Größe als auch eine zur Rci- b~. hensehaltung parallele Induktivität von fester Größe angeschlossen sind.

Zur elektronischen Abänderung des weiteren ohmschcn Widerstandes kann dieser in Weiterbildung der Erfindung von einer Reihe Dioden gebildet sein, und in die Reihenschaltung isl zwischen ihrem Kondensator und der Reihe Dioden über eine Induktivität ein Sieuerstrom zur Einstellung der Frequenz, einführbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden ausführlich erläutert. Hs stellt dar:

Fig. 1 einen bekannten Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen mit veränderbarer Frequenz, ohne die Gleichstrom verbindungen.

Fig. 2 einen typischen Kurvenverlauf der Frequenz für das Rückkopplungsnetzwerk in der Schaltung der Fig. 1,

F i g. 3 eine Schaltung als Ausführungsform der Erfindung, ohne die verschiedenen Komponenten für die Gleichstrorn/.ufuhr.

Fig.4a eine typische Kurve für den Phasenwinkel des Rückkoppkingssignals in Abhängigkeit von der Frequcnz,

F i g. 4b eine typische Kurvenschar, die den Phasenwinkel der Verstärkerschaltung in Abhängigkeil von der Frequenz wiedergibt.

F i g. 4c einen typischen Kurvcnverlauf der Frequenz für die Schaltung der F i g. 3 und

Fig. 5 d;i* .Schaltbild einer weiteren Ausfühiungslorm der Erfindung.

Der bisherige Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen in der Fig. I weist eine Verstärkerschaltung mit einem Transistor 10 auf und gibt seine Signale an einer Klemme 11 ab. Bei diesem Klapp'schen Oszillator ist ein Rückkopplungskreis zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors mit einer Drossel 12 und einem Kondensator 14 angeschlossen dessen Kapazität verändcrbar ist. Der Emitter liegt an Erde. Im Emitter-Basiskreis befindet sich ein weiterer Kondensator 15, und ein dritter Kondensator 16 liegt parallel zum Kollektor und Emitter.

Die Frequenz der Schwingungen, die eine solche Schaltung hervorruft, hängt von der Aufsummierung der Phasenverschiebungen im Rückkopplungskreis mit der Drossel 12, dem Kondensator 14 mit veränderbarer Kapazität und den Kondensatoren 15 und 16, sowie von der Phasenverschiebung des Transistors 10 selbst ab. Natürlich ist diese Frequenz auch von den Kenngrößen der Komponenten in diesen Schaltungen abhängig, so daß die Vorhersagbarkcit der Schwingungsfrequcn/. durch die Toleranzen bestimmt ist. mit denen die Kenngrößen dieser Komponenten eingehalten werden. Um die Einwirkungsmöglichkeit von Änderungen des Phasenwinkcls im Transistor auf die Schwingungsfrequenz zu vermindern, sucht man die Größe der Phasenänderung bezüglich der Frequenzänderung, also die Ableitung von dsfy/dAgroB zu machen, damit Änderungen des Phasenwinkel im Transistor, der als Verstärker wirksam ist, und seiner Kollckiorlast, nämlich des Kondensators 16 eine geringere Wirkung auf die Resonanzfrequenz der Schaltung haben. Deshalb ergibt eine relativ große Änderung des Phasenwinkels, wie die Fig. 2 zeigt, z. B. von <I>\ auf Φ₂ nur eine geringe Frequenzänderung von /ι auf fy. In der Wirklichkeit kann ein derartiger Kurvenvcrlauf der Frequenz nur dann beibehalten werden, wenn der der Schaltung eigene Wert des ohmschen Widerstandes klein gehalten wird, die Schaltung also einen hohen Gütefaktor Q aiii weist. Bei einem größeren Widerstand im Rückkopplungskrcis sucht sich die Kurve stärker einzuebnen, wodurch die Frequenzänderung mit der Phuscnändcrung größer wird. Mit anderen Wor-

ten ausgedrückt, nimmt der Anstieg der Kurve /wischen den Phasenwinkeln Φ\ und Φι ab.

Die Schaltung nach F i g. i bildet einen Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen mit einer Verstärkerschaltung, in der die Phasenverschiebung abgeändert ί werden kann, während die Komponenten des Rückkopplungskreises und der Ausgangsschaltung konstant gehalten werden. Mit Hilfe einer derartigen Phasenänderung in der Verstärkerschaltung kann die Schwingungsfrequenz des Oszillators elektronisch geändert werden, damit ein Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen vorliegt, deren Frequenz elektronisch verändert werden kann.

Auch die Ausführungslorm der Erfindung weist gemäß der Fi g. 3 eine Verstärkerschaltung !9 mit einem Transistor 20 auf, dessen Kollektor mit einer Ausgangsklemme 21 und außerdem über einen Rückkopplungskreis, der eine Induktivität 22 von fester Größe, einen ohmschen Widerstand 24 von fester Größe und einen Kondensator 25 mit einer festen Kapazität enthält, mit der Basis verbunden ist. Zwischen dieser Basis des Transistors 20 und der Erde, sowie zwischen dessen Kollektor und der Erde liegt je ein Kondensator 26 bzw. 27 mil einer festen Kapazität.

In der Verstärkerschaltung 19 ist die Vorrichtung zur :>-; Änderung des Phasenwinkels des abgegebenen Stromes vorgesehen, mit deren Hilfe die Schwingungsfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches verändert werden kann. Hierfür ist dem Emitter 28 des Transistors 20 eine parallele Verbindung zur Erde zügeordnet, in der eine Induktivität 29 von fesler Größe parallel zu einem Kondensator 30 von fester Kapazität und zu einem veränderbaren ohmschen Widerstand 31 geerdet ist. In den Verbindungen zwischen dem Emitter und der Erde liegt die Induktivität 29 parallel zum Kon- J5 densator 30 und dem veränderbaren Widerstand 31, die in Reihe geschaltet sind.

In der Fig.4a ist der Kurvenverlauf der Frequenz in Abhängigkeit von den Phasenwinkeln wiedergegeben; im einzelnen ist sie eine Funktion des Phasenwinkels Φι des Rückkopplungskreises mit der Induktivität 22, dem Widerstand 24 und der Kapazität der Kondensatoren 25.26 und 27. Mit den Werten des ohmschen Widerslandes 24 ändert sich die Einstellung dieses Phasenwinkel: mit anderen Worten ausgedrückt, fäll! mit zunehmender Größe des Widerstandes die Neigung des Kurvenabschnities ab. der sich zwischen den Frequenzen Λ und /4 erstreckt. Damit wird auch die Ableitung di/VdAkleiner.

Wie bereits erklärt, wird die Schwingungsfrequenz dieser Schaltung dadurch geändert, daß der Phasenwinkel Φ_Α der Verstärkersehahung i9 infolge einer Größenänderung des ohmschen Widerstandes 31 verändert wird. Hierzu sei auf die Kurvenschar für den Phasenwinkel gemäß der F i g. 4b verwiesen, der bei einer Änderung der Größe des ohmschen Widerstandes 31 erhalten wird.

In der F i g. 4c ist die Kurvenschar des Phasenwinkels der Verstärkerschaltung mit der invertierten Wiedergabe des Phasenwinkels des Rückkopplungskreises (F i g. 4a) kombiniert wiedergegeben, so daß an allen ho Schnittpunkten der invertierten Kurve des Phasenwinkels mit der Kurvenschar (F i g. 4b) die Summe der Phasenwinkel — 360" beträgt, die eine Bedingung für die Schwingungen darstellt. Natürlich kann die Größe des ohmschen Widerstandes 24 im Rückkopplungskreis b5 auch abgeändert werden, damit der Bereich der Frequenzabänderung auf diese Weise verändert werden kann. Mit höheren Werten dieses Widerstandes im Rückkopplungskreis nimmt die Ableitung άΦί/άΙ ab während bei geringeren Werten des Widerstandes 24 die Neigung zunimmt. Wie man also sieht, kann durch eine Abänderung des Phasenwinkels der Verstärkerschaltung die Schwingungsfrequenz der gesamten Schaltung abgeändert werden. Wie bereits dargelegt, ist dies etwas leichter und gebräuchlicher, sowie praktischer, wenn dieser Phasenwinkel elektronisch verändert werden soll.

In der Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die zur richtigen Funktion der Schaltung sowohl den Wechselstromkreis als auch die Schaltung zur Versorgung mit Gleichstrom zeigt. Eine Verstärkerschaltung 34 mit einem Transistor 33 wird von einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) versorgt, die über eine Klemme 36 den Kollektorstrom durch einen ohmschen Widerstand 37 und eine Hochfrequenzdrossel 38 heranführt. Außerdem wird der Basisstrom von der Klemme 36 über mehrere Dioden 39 und einen ohmschen Widerstand 40 zugeführt. Zu dieser Schaltung gehört ferner der Rückkopplungskreis mit einer Induktivität 41 von fester Größe, einem ohmschen Widersland 42 und einem Kondensator 44 von fester Kapazität, der zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 35 angeschlossen ist. Zwischen der Basis und der Erde bzw. zwischen dem Kollektor und der Erde liegt je ein Kondensator 48 bzw. 49 mit einer festen Kapazität. Im Emitierkreis der¹ Verstärkerschaltung 34 ist eine Induktivität 45 von fester Größe in Paralleischaltung zu der Reihenschaltung aus einem Kondensator 46 mit einer festen Kapazität und zu mehreren in Reihe liegenden Dioden 47 vorgesehen.

Die vom gesamten Oszillator abgegebene Frequenz fu, die an einer Ausgangsklemmc 51 anliegt, ist, wie bercits erläutert, von der Beziehung der Phasenwinkel zwischen dem Rückkopplungskreis mit der Induktivität 41. dem ohriischen Widerstand 42, derrt Kondensator 44, sowie den Kondensatoren 48 und 49 einerseits und der Verstärkerschaltung 34 andererseits abhängig, die den Kondensator 46 und die Reihe der Dioden 47 in Parallelschaltung zur Induktivität 45 aufweist, die geerdet sind. In diesem Oszillator wird die Widerstandsänderung in der Verstärkerschaltung durch eine Steuerung des an einer Klemme 52 eingeführten Stromsigiials bewirkt, das zur Trennung der Wechsel- und Gleichströme über eine Induktivität 54 geleitet wird und die Größe des Widers'.andes der Reihe Dioden 47 ändert. Wie an sich geläufig ist. ist die Widerstandszunahme einer Silicium-Diode in Abhängigkeit vom Strom angehähert 26 Ohm. geteilt durch den hindurchgehenden Strom in Milliampere. Dadurch, daß die Stromzufuhr an der Klemme 42 gesteuert wird, wird in vorhersehbarer Weise die Größe des ohmschen Widerstandes der Dioden 47 eingestellt, wodurch der Widerstand in der Verstärkerschaltung 34 reguliert wird Hiermit wird auch ihr Phasenwinkel abgeändert, der seinerseits die Schwingungsfrequenz /O des gesamten Oszillators beeinflußt, die an der Ausgangsklemme 51 anliegt.

Zusammenfassend gesehen, ist zuvor ein elektronisch einstellbarer Erzeuger von sinusförmigen Schwingungen erläutert, dessen Frequenz von der Größe des ihm über die Klemme 52 zugeführten Stromes abhängt. Wenn also dieser zugeführte Strom richtig eingestellt wird, wird dementsprechend die Frequenz des Oszillators reguliert. Dadurch, daß die Größe des veränderbaren Widerstandes 42 passend beeinflußt wird, wird die Ableitung des Phasenwinkel nach der Frequenz άΦιΙάί verändert und der Bereich festgesetzt, in dem die vom

Oszillator abgegebene !"requen/ durch die l'.inMclliing des Phasenwinkcls der Verstärkerschaltung geiinden werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Sinusoszillator mit veränderbarer Frequenz, bei dem zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors einer Transistor-Vcrstärkerschaltung ein Rückkopplungskreis, bestehend aus einem ohmschen Widerstand und zumindest einem Kondensator, angeschlossen ist, dadurch gekenn-Frequenz schwingt hängt daher von der Genauigkeit ab, mit der die in die Schaltung eingehenden Komponenten hergestellt werden können.

Um die Frequenz eines Sinusoszillators ändern zu können, wird in den Rückkopplungskreis ein Kondensator gelegt damit der Phasenwinkel und somit die Resonanzfrequenz des Oszillators verschoben worden. Schwierigkeiten entstehen hierbei dadurch, daß ein sol-

_. , ... _o eher Kondensator mit einer veränderbaren Kapazität

zei ch ITeT, daß in der^Transistor-Verstärkerschal- iu eine hohe Gleichspannung bertötigt und mit kleinen ostung die Phase verändert wird, indem zwischen dem zillierenden Spannungen betneben werden muß; da Emitter des Transistors (20; 35) und Erde sowohl fernerhin die Gesamtfrequenz der Schwingungen von eine Reihenschaltung aus einem weiteren ohmschen der Reaktanz aller Komponenten abhängig ist. wird die Widerstand (31; 47), dessen Größe zur Einstellung Schwingungsfrequenz ferner von der Genauigkeit und der Frequenz veränderbar ist, und aus einem Kon- 15 den Toleranzen bestimmt, die von diesen Komponenten densator (30; 46) von fester Größe als auch eine zur eingehalten werden.

Reihenschaltung parallele Induktivität (29; 45) von Aus der DE-OS 19 C3 116 ist ein Sinusoszillator mit

fester Größe angeschlossen sind. einein der Verstärkung dienenden Transistor bekannt,

2. Sinusoszillator nach dem Anspruch 1, dadurch zwischen dessen Kollektor und Basis ein Rückkoppgekennzeichnet daß der weitere ohmsche Wider- 20 lungskreis liegt. Zur Änderung der Schwingfrequenz .j ..-λ — -:— n_:i— rv:—ι u:m„, ;_rt ,,„λ wird die zwischen der Basis und dem Emitter vorhande-

stand (47) von einer Reihe Dioden gebildet ist und daß in die Reihenschaltung zwischen Kondensator (46) und der Reihe Dioden (47) über eine Induktivität (54) ein Steuerstrom zur Einstellung der Frequenz einführbar ist (F i g. 5).